Pattern formation as a neural wiring strategy during development of the Drosophila visual system

Abstract

Natural patterns are everywhere around us and can greatly support the developmental progress of complex organs. The eye of a fruit fly (Drosophila melanogaster ) is such a perfectly patterned organ. The 800 small eyes, called ommatidia, contain six motion-vision photoreceptors (PRs) each. Via axons, PRs transfer environmental information to the first optic ganglion in the brain; the lamina. The six photoreceptors from neighboring ommatidia that see one point in the environment are connected to one post-synaptic target in the lamina, to form a retinotopic map of the surroundings. Neural superposition sorting systematically sorts PR axons during a series of distinct developmental steps. Initially, PR axons extend in bundles from the ommatidia to the lamina plexus (LP) and form a scaffold, or pre-pattern. Scaffold formation is an essential step in creating a functional visual map, yet, how it establishes is largely unknown. From this scaffold, all six PRs from one ommatidium extend their axonal growth cones in different angles during a lateral extension phase towards their different post-synaptic targets. How PR growth cones determine this sub type specific angle is largely unknown. Finally, extended growth cones adhere and connect with Lamina Neurons (LNs) at the target location to form synapses and a functional visual circuit. Whether LNs are required for axon extension and/or adherence at the target location is unknown. The aim of this thesis is to describe underlying mechanisms involved in pattern formation and neural superposition sorting during development of the visual map, as well as to investigate the role of LNs during superposition sorting. The results presented in this thesis show that PR growth cones can form a scaffold in absence of LNs. Furthermore, the extension of photoreceptors is independent of the presence of LNs the presentation of adhesion proteins on their cell membrane. Strikingly, it is possible for extending growth cones to find their target correctly and, in rare cases, form photoreceptor clusters where they would normally form a cartridge with LNs. This suggests that photoreceptor and LN dynamics are largely independent and that neural superposition sorting is remarkably robust. I conclude that LNs are required in late development of the visual map for robust circuit formation, but do not contribute to PR sorting. This is a novel finding for the wiring of the Drosophila visual system.

Widerkehrende Strukturen und Muster sind überall in der Natur zu finden und können während der Entwicklung einen wichtigen Einfluss spielen. Ein perfekt strukturiertes Organ ist das Auge der Fruchtfliege, Drosophila melanogaster. Es besteht aus etwa 800 repetitiven Untereinheiten, den so genannten Ommatidien, welche jeweils sechs bewegungssensitive Photorezeptoren (PRs) besitzen. Diese leiten Umgebungsinformationen über Axone zum ersten optischen Ganglion, der Lamina, weiter. Die sechs Photorezeptoren von benachbarten Ommatidien, die denselben Raumpunkt wahrnehmen, sind mit dem selben postsynaptischen Zellen in der Lamina verbunden um eine retinotope Karte der Umgebung zu arrangieren. Die Axone von Photorezeptoren werden durch neuronale Superposition-Sortierung in einer Reihe von Entwicklungsschritten geordnet. Zunächst wachsen die Axone der Photorezeptoren in Bündeln von den Ommatidien zum Lamina Plexus (LP) und formen dabei ein eindeutiges Grundgerüst oder ‘pre-pattern‘. Die Bildung dieses Grundgerüsts stellt einen essenziellen Schritt in der Formierung einer funktionellen visuellen Karte dar. Wie genau das Gerüst etabliert wird, ist jedoch größtenteils unbekannt. Nach Bildung des Grundgerüsts wachsen alle sechs PRs eines Ommatidiums in einer lateralen Wachstums-Phase. In dieser wachsen die Wachstumskegel der PRs in unterschiedlichen, subtyp-spezifischen Winkeln zu deren jeweiligen neuronalen Partnern. Wie hierbei die Wachstumskegel der Photorezeptoren ihre spezifischen Winkel bestimmen ist weitestgehend unbekannt. Letztlich verbinden sich Wachstumskegel der Photorezeptoren mit Lamina Neuronen (LNs) an ihren Zielpositionen, formen Synapsen und so einen funktionellen visuellen Schaltplan. Ob LNs für axonales Wachstum und/oder Adhäsion von Wachstumskegeln an ihrer Zielposition nötig sind, ist nicht bekannt. Das Ziel dieser Studie ist die grundlegenden Mechanismen, die in der Entwicklung einer funktionellen visuellen Karte notwendig sind, zu untersuchen. Hierbei werden die Mechanismen, die für die Grundgerüstformierung und neuronale Superpositions-Sortierung notwendig sind, sowie die Rolle von LNs während dieser, analysiert. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass Wachstumskegel von Photorezeptoren sogar in Abwesenheit von Lamina Neuronen ein Grundgerüst bilden können. Zudem ist das laterale Wachstum der Photorezeptoren unabhängig von der Laminar Neuronen Präsenz oder deren Membran-Adhäsionsproteinen. Überraschenderweise ist es ausdehnenden Wachstumskegeln möglich ihr Ziel korrekt zu finden und in seltenen Fällen sogar Photorezeptor-Cluster zu bilden, wo normalerweise “cartridges” mit LNs geformt würden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Photorezeptoren und LN-Dynamiken größtenteils voneinander unabhängig sind und neuronale Superpositions-Sortierung erstaunlich robust ist. Ich schlussfolgere, dass LNs während der späteren Entwicklung einer visuellen Karte für robuste Schaltkreisformierung notwendig sind, jedoch keinen Einfluss auf die Photorezeptor- Sortierung haben. Diese Erkenntnisse stellen neue Forschungsergebnisse bezüglich der neuronalen Verschaltung des visuellen Systems von Drosophila melanogaster dar.

Natuurlijke patronen zijn wijdverspreid en kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van complexe organen. Het visuele systeem van een fruitvliegje (Drosophila melanogaster) is zo’n orgaan dat ontwikkelt met gebruik van patronen. Eén oog bevat ongeveer 800 individuele minioogjes, zogenaamde ommatidia, die elk zes bewegingssensitieve fotoreceptoren bevatten. Via axonen geven zij informatie door aan de eerste hersenlaag in het visueel systeem; de lamina. Zes fotoreceptoren van naburige ommatidia, die allen één punt in de ruimte zien, worden verbonen met één cluster van post-synaptische partners en vormen een visuele kaart. Het sorteren van axonen via “neuron superpositie sorteren”, doorloopt verschillende ontwikkelingsstadia. Eerst sturen fotoreceptoren hun axonen in bundels van het oog naar de lamina plexus (LP) waar ze een pre-patroon vormen. Deze stap is essentieel voor de vorming van de visuele kaart, maar hoe het wordt gevormd is grotendeels onbekend. Vanaf het gevormde pre-patroon groeien zes fotoreceptoren uit één ommatidium in zes verschillende richtingen naar hun verschillende post-synaptische targets. Hoe ze deze groeirichting bepalen is onbekend. Tenslotte komen axon extensies samen bij een Lamina Neuron (LN) target en vormen ze synapsen en daarmee een werkend visueel circuit. Of LNs een rol spelen tijdens extensie, of voor de vorming van connecties, is onbekend. Het doel van deze thesis is het beschrijven van onderliggende mechanismen in neuron superpositie sorteren tijdens de ontwikkeling van het visuele system van Drosophila en te onderzoeken of LNs nodig zijn voor dit proces. De resultaten laten zien dat photoreceptoren een pre-patroon kunnen vormen in afwezigheid van LNs en dat hun extensies onafhankelijk zijn van de aanwezigheid van LNs of van moleculen op het celmembraan. Ook is het voor fotoreceptoren mogelijk om vanuit correcte extensies in sommige gevallen een cluster te vormen met andere fotoreceptoren ipv. met LNs. Dit suggereert dat de dynamieken van fotoreceptoren en LNs voor een groot deel onafhankelijk van elkaar zijn. LNs lijken vereist te zijn gedurende de laatste fase van sorteren voor de robuste vorming van een functioneel visueel veld, maar niet voor het eigenlijke sorteren van fotoreceptoren. Dit is een nieuwe vinding in de ontrafeling van het visuele systeem van Drosophila melanogaster.