dc.contributor.author
Franke, Tilman
dc.date.accessioned
2018-06-07T16:44:24Z
dc.date.available
2010-01-04T14:56:45.073Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/2971
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7171
dc.description.abstract
Each and any measurement method is tantamount to applying a filter to the
world. Electrophysiology can detect action potentials and allows
neuroanatomical reconstruction and identification of the measured neuron, if
cells are filled after recordings. The method is, however, blind for the
network that neurons are embedded in. Wide-filed imaging can visualize the
activity of networks of neurons or whole neuropils, but lacks the spatial and
temporal resolution necessary to identify single neurons. 2-photon microscopy
promises to bridge the gap between those methods. To augment research on the
olfactory system of the honeybee, I constructed a 2-photon laser scanning
microscope (2PLSM) for imaging of neurons stained with the calcium-sensor
FURA2. When the 2PLSM was finally operable, it proved to be capable of
parallel measurements of calcium signals within multiple identifiable neurons
simultaneously at a high temporal resolution. Recordings in single bees could
last for hours, which is evidence for low phototoxicity. Anatomical image
stacks with sufficient resolution for reconstructions of the cells were
acquired in vivo in the 2PLSM. To demonstrate the potential of the method, I
attempted to elucidate a hitherto unsolved, but much debated question: Why are
there several projection neurons in each of the functional units of the
primary olfactory brain center (glomeruli)? The incomplete convergence-
divergence-connectivity between sensory neurons, antennal lobe neurons, and
mushroom body neurons has inspired postulates about the functional relevance
of the ~10 projection neurons that innervate each glomerulus. By recording
from several projection neurons in parallel during odor-stimulations and
during rest, hypothetical concepts become testable. Using a correlation-based
measure of synchrony, it could be shown that projection neurons that are
housed within the same glomerulus are indeed synchronized to a high degree,
during odor-evoked activity as during rest. Determining synchrony was done
separately for three signaling states that were automatically detected in all
recordings: signals of excitation, signals of inhibition, and rest. Careful
analysis of synchrony across signaling states revealed that synchrony of
signals of excitation is higher during spontaneous signals as compared to
signals that occurred during odor stimuli. Thus synchrony is result of the
network of neurons in the antennal lobe, and not caused by input from sensory
neurons. Synchrony was found to be strongest between sub-branches of a single
neurons. Slightly weaker was the synchrony between branches of two distinct
neurons housed in the same glomerulus. Surprisingly, synchrony and asynchrony
were also found during resting phases in which recordings were void of
detectable calcium signals. It could be shown that noise-like baseline
fluctuations in a frequency band 19-38 Hz are essential for the detectability
of the difference in synchrony between branches from the same vs. branches of
different neurons in the same glomerulus.
de
dc.description.abstract
Jeder Meßvorgang bedeutet eine Beschränkung auf das Meßbare; der größere Teil
der Welt wird ausgeblendet. Mit der Methode der Elektrophysiologie können
Aktionspotentiale in Nervenzellen gemesen werden, und die Zellen können in
weiteren Schritten gefärbt, rekonstruiert, udn identifiziert werden. Die
Methode ist jedoch blind gegenüber dem Netzwerk in dem die Nervenzellen
eingebettet sind. Zeitaufgelöste Weitfeldfluoreszenzmikroskopie kann die
Aktivität von ganzen Hirnregionen gleichzeitig visualisieren, aber die Raum-
und Zeitauflösung ist zu gering um die Signale einzelner Nervenzellen
darstellen zu können. 2-Photonen-Laser-Restermikroskopie verspricht, die Lücke
zwischen diesen Meßmethoden, die in der Erforschung der Duftverarbeitung im
Gehrin der Honigbiene weitlich angewandt wurden, zu schließen. Um die
Erforschung der Duftverarbeitung im Gehirn der Honigbiene voranzubringen, habe
ich ein 2-Photonen-Laser-Rastermikroskop für Messungen von mit dem
Kalziumabhängigen Farbstoff FURA2 gefärbten Nervenzellen im Gehirn der
Honigbiene aufgebaut. Das Mikroskop erwies sich als tauglich, zeitgleich und
in hoher Zeitauflösung die Signale mehrerer Nervenzellen aufzunehmen.
Messungen an einzelnen Bienen konnten über Stunden durchgeführt werden, was
für eine geringe Phototoxizität der Belichtung spricht. In dreidimensional
aufgelösten Bilderstapeln, die in lebenden Tieren aufgezeichnet wurden, wurde
eine zur Rekonstruktion und Identifikation von mehreren Nervenzellen pro
Präparat ausreichende Raumauflösung erreicht. Um das Potenzial der Methode
auszuloten, habe ich eine vieldiskutiete Frage bearbeitet: Warum gibt es in
jeder der 160 funktionelle Einheiten (Glomeruli) im Riechhirn der Honigbiene
mehrere Ausgangsneurone? Die unvollständige Konvergenz-Divergenz-Verschaltung
zwischen sensorischen Nervenzellen, Nervenzellen im Riechhirn, und
Nervenzellen im Pilzlörper konnte mit den oben beschriebenen bisher genutzen
Methoden nicht näher untersucht werden. Dennoch wurden in der Vergangenheit
verschiedene Konzepte postuliert, die den ~10 Ausgangsneuronen, die jeden
Glomerulus innervieren, funktionelle Relevanz beimessen. Durch die
gleichzeitige Aufnahme der Nervenzellaktivität in mehreren Ausgangsneuronen
mittels 2-Photonen-Laser-Rastermikroskopie werden die postulierten Konzepte
testbar. Ein auf der Bestimmung von Korrelationskoeffizienten basierende
Auswertungsmethode wurde angewandt, um das Maß der Synchronie zwischen
Ausgangsneuronen zu bestimmen. Es konnte gezeigt werden, daß Ausgangsneurone
innerhalb eines Glomerulus stark synchronisiert sind, und zwar nicht nur
während duftevozierter Nervenzellsignale, sondern auch während
Spontanaktivität. Synchronie wurde separat in drei Zuständen der Nervenzellen
bestimmt, nämlich während Signalen von Erregung, Hemmung und während der
Abwesenheit meßbarer Signale. Es zeigte sich, daß Signale von
Nervenzellerregung während Spontanaktivität stärker synchronisier sind als
Signale, die während der Duftstimulation auftraten. Also ist offenbar nicht
der erregende Eingang von sensorischen Neuronen während Duftstimuli der
synchronisierende Faktor, sondern Synchronie ist eine Eigenschaft des lokalen
Nervenzellnnetzwerkes im Riechhirn. Die stärkeste Synchronie zeigte sich, wenn
Zweige ein und des selben Neurons verglichen wurden. Etwas geringere
Synchronie war zwischen Zweigen von unterschiedlichen Nervenzellen innerhalb
des selben Glomerulus zu verzeichnen. Überaschenderweise konnten Synchrony und
Asynchronie zwischen bestimmten Paaren von Nervenzellfortsätzen nicht nur
während Phasen von Nervenzellerregung, sondern auch in Phasen von Hemmung und
Ruhe festgestellt werden. Eine 19-38 Hz Komponente des Ruherauschens ist
notwendig, um den Unterschied in der Synchronie zwischen Zweigen des selben
gegenüber Zweigen von zwei verschiedenen Nervenzellen detektieren zu können.
de
dc.format.extent
XI, 209 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
2-photon "calcium imaging"
dc.subject
honeybee "apis mellifera"
dc.subject
projection neuron
dc.subject
linescan ir-laser
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
In vivo 2-photon calcium imaging of olfactory interneurons in the honeybee
antennal lobe
dc.contributor.contact
tilman.franke@gmx.net
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Dr. h. c. Randolf Menzel
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Martin Nawrot
dc.date.accepted
2009-12-18
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000014980-4
dc.title.translated
In vivo 2-Photonen Imaging olfaktorischer Interneurone im Antennallobus der Honigbiene
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000014980
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000006813
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access