Locust thoracic dorsal unpaired median (DUM) neurons: Differential activation and peripheral distribution of octopamine and tyramine

Abstract

The unique group of insect specific dorsal/ventral unpaired median (DUM/VUM) neurons is the principal source of peripherally released octopamine (OA), which as a neuromodulator/-hormone acts on essentially all system levels by modifying e.g. muscle properties, metabolism and complex behaviours. In the locust Schistocerca gregaria, pterothoracic DUM neurons form functional subpopulations which are differentially recruited during specific motor tasks. This study investigates subgroup specific DUM neuron activation and elucidates the peripheral distribution of OA and its precursor tyramine (TA) with respect to its role as independent neuroactive substance. Following nerve stimulation of the tegula, a sensory organ at the wing base, intracellularly recorded "wing group" neurons, i.e. DUMDL, DUM 3 and DUM 3,4 neurons, in general were inhibited, whereas DUM 3,4,5 neurons were activated via a segmental polysynaptic pathway. Stimulation of the tritocerebral giant interneuron elicited likewise inhibitory responses in DUM 3 and DUM 3,4 neurons via polysynaptic connections, while DUM 1b neurons received excitatory input. These findings provide evidence of so far undescribed pathways and imply their functional relevance at the onset of and/or during flight. Since electrophysiological data imply pronounced inhibitory synaptic input to "wing group", but hardly to "leg group" neurons, the amount of putative inhibitory input sites to selected branches of DUM 3,4 and DUM 3,4,5 neurons was determined using immunocytochemistry and available neuron reconstruction tools. A greater surface area of DUM 3,4 neurons was covered by putative synaptic input sites, however, the inhibitory share of these contacts did not markedly differ from that of DUM 3,4,5 neurons. These data thus do not indicate a simple quantitative correlation. The flight steering muscle M85/114 was examined to elucidate the distribution pattern of OA and TA in the periphery. With the help of reliable antibodies, TA was shown to be exclusively co-localised with OA in all neuromodulatory varicosities examined. The comparison of individual boutons from control and differentially treated animals, which had experienced flight or were exposed to stress immediately before examination, indicated dynamic activity-dependent changes of OA and TA contents. In muscle mechanograms, TA increased twitch amplitude as well as contraction and relaxation rate of individual muscle twitches, but less effectively than OA. Since the TA effect was suppressed by the OA-receptor antagonist epinastine, specific TA release and the existence of specific TA- receptors at this peripheral location seems unlikely.

Im Nervensystem von Insekten ist die Gruppe der dorsal unpaired median (DUM / VUM) Neurone hauptverantwortlich für die periphere Ausschüttung von Octopamin (OA), das als Neuromodulator und -hormon nahezu alle Ebenen des Organismus beeinflusst, wie z.B. die Kontraktionseigenschaften von Muskeln, den Stoffwechsel oder komplexes Verhalten. In der Wüstenheuschrecke Schistocerca gregaria kann man die thorakalen DUM Neurone funktionellen Unterpopulationen zuordnen, die während spezifischer Bewegungsmuster differentiell rekrutiert werden. Die vorliegende Arbeit untersucht sowohl Wege der differentiellen Aktivierung von DUM Neuronen als auch die periphere Verteilung von Octopamin und seiner Vorstufe Tyramin (TA) im Hinblick auf dessen Rolle als unabhängige neuroaktive Substanz. Nervreizung der Tegula, eines sensorischen Organs an der Flügelbasis, hatte in intrazellulär abgeleiteten "wing group", d.h. DUMDL, DUM 3 und DUM 3,4 Neruonen, inhibitorische, in "leg group", d.h. DUM 3,4,5 Neuronen exzitatorische Eingänge über jeweils segmentale und polysynaptische Verbindungen zur Folge. Ebenso löste die Stimulation des tritocerebral giant (TCG) Interneurons Inhibition von DUM 3 und DUM 3,4 Neuronen aus, während DUM 1b Neurone aktiviert wurden. Die Daten implizieren eine funktionelle Relevanz dieser Konnektivitäten während oder zu Beginn des Flugs. Da elektrophysiologische Daten darauf hindeuten, dass "wing group" Neurone generell in höherem Maße inhibitorische Eingänge erhalten als "leg group" Neurone, wurde der prozentuale Anteil an mutmaßlichen inhibitorischen synaptischen Kontakten auf ausgewählten Dendriten von DUM 3,4 und DUM 3,4,5 Neuronen mithilfe von Immunocytochemie (anti-Synapsin und anti-GAD) und der Rekonstruktion von Neuronen bestimmt. Bei DUM 3,4 Neuronen war zwar eine insgesamt größere Oberfläche in Kontakt mit präsynaptischen Profilen, der Anteil an mutmaßlichen inhibitorischen Kontakten unterschied sich jedoch nicht signifikant. Mithilfe von Antikörpern konnte gezeigt werden, dass TA auf dem Flugsteuermuskel M85/M114 in neuromodulatorischen Terminalen ausschließlich ko-lokalisiert mit OA vorliegt. Der Vergleich einzelner Boutons von Kontroll- Tieren und solchen, die unmittelbar vor der Untersuchung geflogen oder Stress ausgesetzt waren, deutete auf aktivitätsbedingte dynamische Schwankungen von OA und TA hin. Wie Muskelmechanogramme zeigten, erhöhte TA die Amplitude einzelner Zuckungen sowie deren Kontraktions- und Relaxationsrate, allerdings in geringerem Maße als OA. Da dieser Effekt durch gleichzeitige Applikation des OA-Rezeptor Antagonisten Epinastin unterdrückt wurde, scheint die Existenz spezifischer TA-Rezeptoren auf dem Skelettmuskel unwahrscheinlich.