Molecular Mechanisms of Visual Map Formation in Drosophila melanogaster

Abstract

One of the central questions in neuroscience is how neurons connect to each other to build functional neural circuits. Pattern formation restricts neuronal partner choice and thus can be a prerequisite for correct brain wiring. In the Drosophila visual system, photoreceptor neurons preserve the cellular spatial organization in the eye as axonal projections in the brain, a principle called retinotopy. Then, they re-sort into a visuotopic wiring pattern through a principle called neural superposition. The developmental mechanisms behind both processes have remained largely unknown. The work presented in this thesis shows that Drosophila photoreceptors form the initial retinotopic visual map via an axon-axon-specific, target-independent mechanism. Following the temporal gradient of eye development, the cellular pattern in the eye is precisely preserved to the brain via two selective adhesive forces. The cell adhesion molecules, Flamingo and Sidekick, preserve inter- and intra-bundle spatial organization, respectively. A computational simulation shows sufficiency of the presented model: temporal row-by-row growth, and selective adhesion between photoreceptor growth cones reproduces the biological retinotopic pattern, including space for postsynaptic neurons, lamina cells, without explicit encoding. Next, the photoreceptor growth cones re-sort themselves into the final wiring pattern without any target-guidance. Ablation of postsynaptic lamina cells does not affect initial formation of the sorting plane, or the extension and exploration of growth cones. Lamina cells are only required in the final phase of stabilization of the final wiring pattern for subsequent initiation of synaptogenesis. The data-driven computational model shows that the 800×6 growth cones are steered towards their correct target region by the filopodial meshwork in their immediate vicinity. These findings highlight the importance of studying gene functions in the spatiotemporal context of development. They support the notion of composite instructions for brain wiring, as the developmental program that grows the brain is composed of many single molecular factors and cellular mechanisms that can only function together to instruct brain wiring.

Eine der zentralen Fragestellungen der Neurowissenschaften beschäftigt sich damit, wie Neurone miteinander verschaltet sind, um funktionelle neuronale Netzwerke zu bilden. Musterbildungsprozesse schränken die neuronale Partnerwahl ein und können somit eine Voraussetzung für die korrekte Gehirnverdrahtung darstellen. Im visuellen System von Drosophila melanogaster bewahren Fotorezeptoren die räumliche zelluläre Organisation des Auges in Form axonaler Projektionen im Gehirn – ein Prinzip, das als Retinotopie bezeichnet wird. Anschließend reorganisieren sie sich durch einen Mechanismus namens “neural superposition” zu einem visuotopen Muster. Die Entwicklungsmechanismen, die diesen beiden Prozessen zugrunde liegen, waren bislang unbekannt. Diese Thesis präsentiert Ergebnisse, die zeigen, dass die ursprüngliche retinotopische visuelle Karte in Drosophila durch einen Axon-Axon-spezifischen Mechanismus, unabhängig von der Zielregion, durch die Fotorezeptoren selbst gebildet wird. Dem temporalen Gradienten der retinalen Entwicklung folgend wird das räumliche Muster des Auges durch zwei selektive Adhäsionskräfte präzise bis ins Gehirn bewahrt. Die Zelladhäsionsmoleküle Flamingo und Sidekick erhalten dabei jeweils die räumliche inter- beziehungsweise intra-Bündel- Organisation. Eine rechnerische Simulation zeigt die Suffizienz des vorgestellten Modells: Zeitlich sequenzielles Wachstum und selektive Adhäsion zwischen Fotorezeptoren reproduzieren das biologische retinotopische Muster einschließlich des Raums für postsynaptische Zellen, die Lamina-Zellen, ohne dass dieser explizit kodiert werden musste. Anschließend reorganisieren sich die Fotorezeptoren in das finale Verdrahtungsmuster, ohne durch postsynaptische Zellen geleitet zu werden. Das Entfernen von Lamina-Zellen beeinflusst weder die Bildung der ursprünglichen Sortierungsebene noch die Expansion oder Exploration der Fotorezeptoraxone. Lamina-Zellen sind lediglich für die finale Phase der Stabilisierung des Verdrahtungsmusters sowie die anschließende Initiierung der Synaptogenese erforderlich. Das datengestützte rechnerische Modell zeigt, dass die 800×6 Axone durch das Filopodiennetzwerk zu ihrer jeweils korrekten Zielregion in ihrer unmittelbaren Umgebung geleitet werden. Diese Ergebnisse heben hervor, wie wichtig es ist, Genfunktionen im räumlichen und zeitlichen Kontext der Entwicklung zu untersuchen. Sie unterstützen die Vorstellung zusammengesetzter Instruktionen der Gehirnverdrahtung, wonach das Entwicklungsprogramm des Gehirnwachstums aus vielen molekularen Faktoren und zellulären Mechanismen besteht, die nur gemeinsam funktionieren und so die Gehirnverdrahtung instruieren können.