Standardized drosophila ventral nerve cord morphology: Atlas generation and atlas applications

Abstract

Modern neuroanatomy requires quantification of neural structures, i. e. neurons, circuits and brain parts. The increased computational power that has become available during recent years makes electronic knowledge bases possible, which can serve as common platforms for the incorporation of anatomical and physiological data. In this study a standardized neuroanatomical atlas for the ventral nerve cord of the genetic model system, Drosophila melanogaster was generated. By testing the quality of the standard it could be confirmed that the neuropil standard can serve as real average of wild-type Drosophila. A standardized staining protocol with a commercially available antibody ensures that the standard is applicable for any user. Standard generation was based on the entire neuropil structure and internal neuropil boundaries could be defined. With a global thresholding criterion user interaction for the segmentation process could be minimized and therefore, offers an easy and non time-consuming way for standard registration. The standard will be made available on the web together with a detail protocol for the histological methods, the segmentation, and the registration process. Ganglionic cortex, tracts, and commissures were registered into the standard to define additional landmarks. The feasibility for standard registration for managing gene expression data was tested for several GAL4 lines. Theoretically any structure that was counterstained with the neuropil marker can be registered into the standard. However, standard registration was not useful for every expression pattern to display similarities or differences between GAL4 lines. Registration of anatomical structures derived from individual samples into the reference space yielded in a good overlay and allowed for defining of sub-neuropils within the standard. In a new approach it could be shown that these defined sub-regions can be applied onto individual samples by backwards application of the standard. This allowed for comparative studies of ventral nerve cord neuropils, i.e. transmitter compositions of neuropil regions with defined functions. Spatial relationships of registered structures can be investigated within the common reference space. An overlap of axonal and dendritic projections could indicate connectivity of identified neurons stained in individual samples. With the identification of the putative monosynaptic connection of sensory neurons and the flight motoneuron of Drosophila the feasibility of standard registration can now be tested for revealing synaptic connectivity.

Eine Quantifizierung von neuronalen Strukturen wie Nervenzellen, Netzwerke und Gehirnteile ist fuer moderne Neuroanatomie von grosser Bedeutung. Mit zunehmender Rechnerleistung, die in den letzten Jahren verfuegbar wurde, koennen elektronische Datenbanken generiert werden. Diese dienen als oeffentliche Plattformen in die neuroanatomische und physiologische Daten integriert werden koennen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein standardisierter neuroanatomischer Atlas fuer das ventrale Nervensystem von adulten Drosophila melanogaster generiert. Mit der Ueberpruefung der Qualitaet des Standards konnte bestaetigt werden, dass dieser einen Durchschnitt von wildtypischen Drosophila bildet. Durch die Anwendung eines standardisierten Faerbeprotokolls mit einem kommerziell erwerblichen Antikoerper kann dieser Standard von jedem Nutzer angewendet werden. Die gesamte Neuropilstruktur des ventralen Nervensystems ist in diesem Standard enthalten und interne Neuropilgrenzen wurden integriert. Der Segmentierungsprozess der Neuropilstruktur basierte auf einem globalen Schwellenwert, dieses fuehrte zu einer einfachen und zeitsparenden Anwendung. Der Standard wird auf einer Internetseite zusammen mit einem detailierten Protokoll fuer die histologischen Methoden, der Segmentierung und des Registrierungsvorgangs veroeffentlicht werden. Die Ganglionrinde, Trakte und Kommissuren wurden als zusaetzliche Landmarken in den Standard integriert. Eine Anwendung des Standards fuer die Verwaltung von Genexpressionsdaten wurde mit der Integration von verschiedenen GAL4 Linien getestet. Jede Struktur, die mit einem Neuropilmarker gegengefaerbt wird, kann theoretischer weise in den Standard registriert werden. Fuer einige der getesteten GAL4 Linien war eine Registrierung in den Standard jedoch nicht sinnvoll, um Aehnlichkeiten oder Unterschiede zwischen den Expressionsmustern verschiedener Linien festzustellen. Mit der Registrierung von anatomischen Strukturen aus individuellen Tieren und dem anschliessenden Uebereinanderlagern dieser Strukturen im Standard konnten interne Einzelneuropile abgegrenzt werden. Diese zuvor definierten Unterstrukturen konnten in Einzelpraeparaten definiert werden, indem der Standard auf diese Praeparate registriert wurde. Mit dieser neuen Methode koennen Informationen ueber die Feinstruktur von Neuropilregionen untersucht werden und zwischen individuellen Praeparaten verglichen werden. Die Lage von registrierten Strukturen zueinander kann innerhalb des gemeinsamen Referenzatlasses ueberprueft werden. Eine Ueberlagerung von Axonen und Dendriten von registrierten Neuronen kann auf eine moegliche Konnektivitaet zwischen beiden Komponenten hindeuten. Mit der Identifizierung einer monosynaptischen Verbindung von sensorischen Neuronen und dem Flugmotoneuron in Drosophila, kann nun die Anwendung des Standards fuer die Identifizierung solcher Kontakte durch Standardregistrierung getestet werden.