Postsynaptic plasticity of cholinergic synapses underlying learning in Drosophila

Abstract

Learning involves glutamatergic postsynaptic plasticity in vertebrate brains; in Drosophila, however, presynaptic plasticity of cholinergic synapses is believed to be involved in memory formation. Here, I document the first evidence of postsynaptic plasticity in Drosophila by establishing that postsynaptic associative plasticity can be induced after bypassing the presynapse at synapses of the fly learning and memory centre, the mushroom bodies (MBs). I demonstrate that: 1) the α5 nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) subunit is necessary within the M4/M6 mushroom body output neurons (MBONs), the postsynaptic neurons downstream of the presynaptic intrinsic Kenyon cells, to induce appetitive memory; 2) the α2 subunit is required for later phases of appetitive memory; and 3) the α2 subunit plausibly acts downstream of the α5 subunit as well as the scaffolding protein Discs large (Dlg), a homologue of the mammalian protein PSD-95. Though these subunits are dispensable for aversive memory formation in the M4/M6 MBONs, I demonstrate that both the α5 subunit and Dlg are required for aversive memory formation in MVP2 MBONs, thus indicating a different plasticity mechanism at the Kenyon cell - MVP2 neuron synapse. Moreover, this work shows in vivo that α2 subunit rearrangements occur in non-associative (familiarity) memory formation and after odour presentation in α‘3 and M4 MBONs. Notably, the work herein supports the theory that mechanisms of postsynaptic plasticity follow similar design principles across phyla despite utilization of different neurotransmitters.

Lernen findet bei Wirbeltieren häufig an glutamatergen Prä- und Postsynapsen statt. Im Gegensatz dazu wurde bei Drosophila bisher ausschließlich gezeigt, dass präsynaptische Plastizität cholinerger Synapsen am Lernen beteiligt ist. In meiner Dissertation liefere ich erste Beweise für postsynaptische Plastizität an der Synapse zwischen den intrinsischen Zellen (Kenyon Cells) des Drosophila Lernzentrums (Mushroom Body), und den extrinsischen M4/M6-Neuronen (M4/M6-Mushroom Body Output Neuronen). Ein bedeutsames Ergebnis war, dass wir postsynaptische Plastizität in M4/M6 Neuronen unter Umgehung der Präsynapse induzieren können. Auf Ebene der nikotinischen Acetylcholin Rezeptoren sehe ich, dass α5-Untereinheiten sowohl für die Bildung eines positiven Kurzzeitgedächtnisses als auch für das eines mittelfristigen Gedächtnisses in M4/M6- Neuronen benötigt wird. Die α2-Untereinheit und das scaffolding protein Discs large (Dlg), das Homolog von PSD-95 bei Säugetieren, werden dagegen nur für die Bildung eines mittelfristigen Gedächtnisses benötigt. Interessanterweise scheinen die Plastizitätsmechanismen an unterschiedlichen Synapsen unterschiedlich zu sein. Während diese Untereinheiten für die aversive Gedächtnisbildung in den M4/M6-MBONs entbehrlich sind, sind die α5-Untereinheit und Dlg für das aversive Lernen in anderen extrinsischen Neuronen, den MVP2-Neuronen erforderlich. Interessanterweise haben die α5- Untereinheit und Dlg wahrscheinlich einen Effekt auf die α2-Untereinheit. Darüber hinaus konnten wir in vivo zeigen, dass es an diesen Postsynapsen zu einer Mobilität der α2-Untereinheiten bei Duftpräsentation und bei Habituation in α‘3 and M4 Neuronen kommt. Mit dieser Doktorarbeit unterstütze ich die Theorie, dass sich Drosophila als Modellorganismus für synaptische Plastizität eignet.