Characterization of octopaminergic descending unpaired median neurons of the suboesophageal ganglion in Manduca sexta

Abstract

Octopamine is a major biogenic amine in the insect nervous system where it functions as a neuromodulator acting on glands, sense organs, neuronal networks or muscles, as a neurohoromone mobilizing carbohydrates or lipids, or as a neurotransmitter. It is considered to play an important role in the initiation and maintenance of motor programs. It is released by two main populations of octopaminergic neurons: paired neurons that occur in the brain and some segmental ganglia and unpaired median (UM) neurons that can be found in all segmental ganglia except the brain. UM neurons exhibit dorsally or ventrally located somata and bilaterally symmetrical axons. In contrast to the thoracic and abdominal ganglia, the suboesophageal ganglion (SOG) of insects lacks segmental UM neurons with peripheral axons. Instead, it possesses two main populations of intersegmental UM neurons: ascending UM neurons projecting towards the brain and descending UM neurons sending their axons towards the thoracic ganglia via both neck connectives. The larval SOG of Manduca sexta contains three octopaminergic intersegmental descending ventral unpaired median (desVUM) neurons with somata in the labial neuromere. Electrophysiological and histological experiments of this thesis indicate that none of these neurons has peripheral axons. Therefore, they are considered to be interneurons and thus are strong candidates for the central release of octopamine. DesVUM neuron somata are able to generate spontaneous action potentials that are smaller in amplitude, shorter in duration and occur more frequently compared to the thoracic efferent VUM neurons. Experiments of this thesis reveal that desVUM neurons are not just a homogeneous cluster of neurons but rather a heterogeneous group in a functional and morphological sense as they are activated differentially when stimulating nerves innervating sense organs of the mouthparts and thoracic legs as well as hairlike sensilla on the dorsal surface of the prothoracic segment and are distinguishable by their characteristic morphological features. In addition to their morphology within the SOG, this thesis provides for the first time a detailed description of their projections within the prothoracic ganglion and for the posterior desVUM neuron even in the mesothoracic ganglion. In each of these thoracic ganglia, desVUM neurons possess extensive bilaterally symmetrical branches concentrated in the ventral and lateral regions of the ganglia that are distributed over the anterior-posterior axis. Histological experiments indicate that these neurons project as far as the second abdominal ganglia. Pharmacological experiments reveal that desVUM neurons are coupled to central pattern generators producing fictive crawling in larva. Their central released octopamine might be involved in the facilitation of initiation of motor programs and its maintenance. Central release of octopamine by suboesophageal desVUM neurons could also be part of a general arousal mechanism transforming neuronal circuits from a passive into a more dynamic state.

Octopamin ist ein wichtiges biogenes Amin im Nervensystem von Insekten, das in einer Vielzahl von physiologischen Prozessen involviert ist. So kann es als Neuromodulator Drüsen, Sinnesorgane, neuronale Netzwerke oder Muskeln modulieren, als Neurohormon Kohlenhydrate und Lipide mobilisieren oder auch als Neurotransmitter agieren. Dieses biogene Amin spielt eine wichtige Rolle in der Initiierung und Aufrechterhaltung von Motorprogrammen. Es wird von zwei Hauptgruppen von octopaminergen Neuronen freigesetzt: gepaarten Neuronen, die im Gehirn und einigen segmentalen Ganglien auftreten und ungepaart medianen (UM) Neuronen, die in allen segmentalen Ganglien, aber nicht im Gehirn, vorkommen. UM Neurone besitzen dorsal oder ventral liegende Somata und bilateral symmetrische Axone. Im Gegensatz zu den thorakalen und abdominalen Ganglien befinden sich im Unterschlundganglion (USG) keine segmentalen UM Neurone mit peripheren Axonen. Vielmehr beinhaltet es zwei Hauptgruppen von intersegmentalen Neuronen: aufsteigende UM Neurone, die Richtung Gehirn projizieren und absteigende UM Neurone, die ihre Axone über die beiden Halskonnektive in die thorakalen Ganglien senden. Das larvale USG des Tabakschwärmers Manduca sexta beinhaltet drei octopaminerge intersegmentale absteigende ventral ungepaart mediane (desVUM) Neurone mit Somata im labialen Neuromer. Elektrophysiologische und histologische Untersuchungen dieser Arbeit deuten an, dass diese Neurone keine Axone in peripheren Nerven besitzen. Demnach können desVUM Neurone als Interneurone angesehen werden und sind somit gute Kandidaten für die zentrale Freisetzung von Octopamin. Somata dieser Neurone sind in der Lage spontane Aktionspotentiale zu generieren, die im Vergleich zu denen der efferenten thorakalen VUM Neurone eine kleinere Amplitude und kürzere Dauer aufweisen sowie in einer höheren Frequenz auftreten. Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass desVUM Neurone kein homogenes Cluster von Neuronen darstellen, sondern vielmehr eine heterogene Gruppe im funktionellen sowie morphologischen Sinne. Dies wird belegt durch ihre differentielle Aktivierung während der Stimulation von Nerven, die Sinnesorgane der Mundwerkzeuge und thorakalen Beine sowie Sensillen auf der dorsalen Oberfläche des prothorakalen Segments innervieren. Des Weiteren sind die drei desVUM Neurone anhand ihrer charakteristischen morphologischen Eigenschaften zu unterscheiden. Zusätzlich zu ihrer Morphologie innerhalb des USG zeigt diese Arbeit erstmals deren Projektionen im prothorakalen und für das posteriore desVUM Neuron gar innerhalb des mesothorakalen Ganglions. In diesen Ganglien weisen desVUM Neurone extensive bilateral symmetrische Verzweigungen auf, die in den ventralen und lateralen Regionen des jeweiligen Ganglions konzentriert und über die anterior-posteriore Achse verteilt sind. Histologische Untersuchungen deuten an, dass diese Neurone zumindest bis ins zweite Abdominalganglion ziehen. Pharmakologische Untersuchungen zeigen, dass desVUM Neurone an zentrale Mustergeneratoren gekoppelt sind, die fiktives Kriechen in der Larve generieren. Ihr zentral freigesetztes Octopamin ist möglicherweise an der Erleichterung der Initiierung von Motorprogrammen und ihrer Aufrechterhaltung beteiligt. Die zentrale Freisetzung von Octopamin durch desVUM Neurone könnte auch Teil eines generellen Erregungsmechanismus sein, der neuronale Verbindungen von einem passiven in einen dynamischen Zustand transformiert.