Untersuchungen von Strukturmerkmalen zur Aufklärung von NO-Wirkung, Wachstumsregulation und Verschaltungseigenschaften in Neuronennetzwerken von Locusta migratoria und Manduca sexta

Abstract

Mit Hilfe neuartiger 3D-Visualisierungsmethoden untersucht die vorliegende Arbeit morphologische Eigenschaften und macht Voraussagen über funktionelle Konsequenzen in drei verschiedenen Themenkreisen. Teil 1 - Sensorische Systeme verarbeiten Reize, deren Intensität und Zeitstruktur stark variieren. Der Botenstoff Stickstoffmonoxid (NO) moduliert in vielen Systemen die Reizantwort und wird beispielsweise in mechanosensorischen Neuropilen der Wanderheuschrecke (Locusta migratoria) synthetisiert. Mittels immunozytochemischer Markierungen wurden NO-Syntheseorte im Umkreis eines windsensitiven Projektionsinterneurons (A4I1) untersucht. NO-Synthase Immunoreaktivität (NOS-IR) fand sich in geringer Dichte nahe axonaler, in hoher Dichte dagegen nahe dendritischer Verzweigungen. Die effektive Wirkdistanz des diffusiblen Botenstoffs NO ist umstritten. Ich untersuchte deshalb die Verteilung der NOS in verschiedenen Distanzvolumina um die A4I1 Oberfläche. Dabei konnte ich deutliche Verteilungsunterschiede der NOS-IR schon im Entfernungsbereich von nur 0,5-5 µm zeigen. Das Resultat wird diskutiert als wichtiger Hinweis auf eine geringe effektive Wirkdistanz von NO in diesem Schaltkreis. Pharmakologische Untersuchungen zeigten, dass ein NO Donor (DEA) und ein Inhibitor der NO abhängien Guanylatzzyklase (ODQ) das Antwortverhalten des A4I1 auf Windstimuli modulierten. Die Resultate deuten darauf hin, dass endogen synthetisiertes NO an der Aufrechterhaltung der A4I1-Antwort während Phasen hoher Systembeanspruchung, beispielsweise im Flug, beteiligt ist. Teil II - Während der Metamorphose des Tabakschwärmers (Manduca sexta) wird der Dendritenbaum eines identifizierten Motoneurons (MN5) zuerst zurückgebildet und wächst in der Puppe erneut aus. Die Arbeit untersucht die Morphogenese dendritischer Filopodien im natürlichen Zellverband. Es konnte gezeigt werden, dass Filopodien während zunehmender Reifung der Zelle einem generellen Trend zu kürzerer Länge und geringerer Komplexität unterliegen. Filopodien am Dendritenschaft und solche an der Spitze auswachsender Dendriten unterschieden sich signifikant in Länge, Dichte und Wachstum, was auf eine unterschiedliche Wirkung von Regulationsmechanismen in verschiedenen dendritischen Arealen hinweist. Teil III - Von den zentralnervösen, reizverarbeitenden Elementen des windsensitiven Systems von Locusta migratoria war bislang lediglich ein Interneuron (A4I1) anatomisch und physiologisch charakterisiert. Die vorgestellten Resultate zeigen, dass die Windinformation durch ein komplexes System von Interneuronen mit unterschiedlichem Antwortverhalten verarbeitet wird. Spezielle Strukturmerkmale legen dabei nahe, dass die Information verschiedener Rezeptorzellen in getrennten Arealen verarbeitet wird. Die Funktion eines dramatischen postembryonalen Strukturwandels von Rezeptorzellprojektionen war auf Grundlage des A4I1-Antwortverhaltens bisher nicht zu erklären. Im Unterschied zum A4I1 zeigte das bilateral verzweigende Interneuron ProWIn2 ein gegensätzliches Antwortverhalten bei Stimulation verschiedener Rezeptorzellpopulationen. Auf Basis dieser Resultate wird ein Modell vorgestellt, das erklärt, wie die postembryonalen Umbauprozesse zur Kontrastverschärfung der Richtungsantwort beitragen.

By means of novel 3D-visualization and analysis techniques the present work explores morphological properties of mechanosensory systems in order to make predictions about functional consequences of the morphological traits. Chapter I - Most sensory systems need to cope with stimuli of highly variable intensity and temporal characteristics. In many systems nitric oxide (NO) has been shown to modulate responses to sensory stimuli and since NO is synthesized in mechanosensory neuropils of Locusta migratoria, it has been suggested that NO could act as a modulator. Using immunocytochemsitry I labelled the main NO source (NO-synthase/ NOS) and subsequently analyzed the spatial relationship between a wind-sensitive interneuron (A4I1) and NOS- immunoreactivity (NOS-IR). NOS-IR occurred in low densities close to axonal arborisations of the A4I but in high densities close to its dendrites. Estimates in the literature of the effective signalling range of NO vary between synapse-specificity to more than 100 µm. I therefore mapped NOS-IR in defined volumes outlining different distances from the A4I1 surface. Marked differences occurred when mapping NOS-IR onto the dendritic surface already using distances ranging from 0,5-5 µm. These results suggest a very short signalling distance of the diffusible messenger NO. Pharmacological experiments demonstrated that the NO donor (DEA) as well as an inhibitor of the NO dependent guanylyl cyclase (ODQ) are both modulating the spiking response of the A4I1 interneuron. These results suggest that endogenous NO counteracts habituation and thus maintains a high response level during phases of high activity load, e.g. during flight. Chapter II - During metamorphosis of the hawkmoth Manduca sexta the dendritic tree of an identified motorneuron (MN5) retracts its dendrites and re-growths again. This study aims to reveal possible structural changes of dendritic filopodia in their natural cellular assembly during early pupal stages. In general filopodia underwent a morphogenic reduction in length and branching complexity. However, filopodia at dendritic shaft segments and those at the tip of the outgrowing dendrites differed significantly in length, density and stage dependent growth suggesting differences of regulatory mechanisms acting in different dendritic areas. Chapter III - Until now, the A4I1 was the only identified interneuron within the central nervous system belonging to the prothoracic wind sensitive network of the locust. This study provides first evidence that information about airflow is processed by a complex network of interneurons with unique morphological characteristics and different response properties. Particular branching patterns might enable processing information of different classes of receptor neurons in different neuronal compartments. During postembryonal development the axonal arborisations of receptor neurons undergo striking structural changes. However, the emerging projection pattern could not yet be explained by the wind response of the A4I1 interneuron. In contrast to the A4I1 one type of interneuron (ProWIn2) branches bilaterally within the prothoracic ganglion. On the basis of the ProWIn2 response a wiring scheme is proposed that explains how postembryonic changes might enhance the contrast of the directional response.