Postembryonic maturation and putative modulation of the central pattern generator for flight in Manduca sexta

Abstract

Centrally generated rhythmic motor patterns are the result of the complex arrangement, synaptic wiring and communication a multiplicity of neurons. For anyone trying to understand such complex neuronal procedures, model systems that are simple in structure and nevertheless complex in their generated behavioral patterns, provide the opportunity to do so as in such systems the movement is measurable and quantifiable. This thesis describes and interprets the postembryonic development of central pattern generation for flight during complete metamorphosis, which is a unique feature of holometabolous insects, such as the hawkmoth, Manduca sexta. In particular, the possible influences of the biogenic amine tyramine on the central generation for the motor flight patterns are examined, a topic very much under discussion within vertebrate as well as invertebrate neurobiology. Even if the connectivity of the neuronal circuit not yet has been described, the flight motor system in the isolated nervous system of Manduca sexta offers the possibility of inducing model, fictive motor patterns pharmacologically. Thus it is possible to describe its functionality, possible changes of the flight pattern and modulatory effects on the motor output of the central pattern generator for flight, and to discuss and draw appropriate conclusions in connection with the structural and physiological changes in the central nervous system during metamorphosis, which have already been studied. The first manuscript (Chapter 2) examines the starting point of network activity in the central pattern generator and whether during the process of development further adjustments to the pattern develop, or whether the network is able from a certain point of time to produce mature, adult flight patterns, since the central network already is established postembryonically. The investigations show that it is not possible to release fictive flight pattern in development stages prior to the pupal stage P16 (from a whole of 20 days of the development). During remaining pupal development, the central generated flight pattern matures progressively, the frequency and the precision increase, probably in absence of sensory influences, to become the underlying motor pattern of the mature, adult flight. The results suggest that the changes in the physiological properties of the flight motoneuron MN5, one of the five depressor motoneurons for flight, correlate temporally with the first occurrence of EPSPs in depressor motoneurons, which are pharmacologically inducible by CDM. Furthermore, the structural development of the MN5 and the functional integration into the flight pattern generating network coincidences with the occurrence of pre- mature, fictive flight patterns in pupal stage P16. The observation that no flight-like motor patterns are generated by the central pattern generator prior to P16 is not a result of GABAA-dependent inhibition. Indirect references point to different courses in the development of elevator motoneurons compared to the course of depressor motoneurons. In the second manuscript (Chapter 3) it was examined, whether the biogenic amines octopamine and tyramine have different effects on the central pattern generator for flight in Manduca, or how so far accepted, cause antagonistic effects. In this work it could be shown for the first time that tyramine has a direct influence on the generation of the central flight pattern and contrary to octopamine selectively affects only the activity of the depressors. This result may contribute to carrying for the future acceptance of tyramine as independent neuromodulator with distinct modulatory effects. This chapter (Chapter 4) examines whether a functionally homogeneous population of larval octopaminergic, unpaired median neurons (VUM/DUM) differentiates into functionally different subpopulations during metamorphosis. Firstly, it is shown that the number of this type of neurons increase during postembryonic development. This could explain the increase of the octopamine level during developement, which has already been described and also correlates with changes in the level of the enzyme tyramine-beta-hydroxylase, which is available for octopamine synthesis. Secondly, even if anatomically different subpopulations of unpaired median neurons, as seen in locusts, are also shown for Manduca, no functional differences regarding the recruitment during the fictive flight motor pattern were found. The number of neurons differs clearly in locusts, approx. 19-21 neurons, whereas only 6-8 are in Manduca. The results suggest that the function of the mesothoracic VUM neurons is different in Manduca another to than in locusts. In the last chapter of the thesis (Chapter 5) I pose the question as to whether there is a cholinergic mechanism for the activation of the central pattern generator in Manduca sexta, as described in locusts. Muscarinic stimulation of the central flight circuitry showed a motor pattern comparable the CDM induced fictive flight motor pattern, which was however slower and less precise. This seems to be caused by a strong overexcitation of the central pattern generating network or of the flight motoneurons, which however could not be verified so far.

Zentral generierte rhythmische Bewegungsmuster sind die Konsequenz einer komplexen Anordnung, Verschaltung und Kommunikation zwischen einer Vielzahl von Neuronen. Für diejenigen die versuchen solche komplexen neuronalen Vorgänge zu verstehen bieten sich Modellsysteme an die simpel im Aufbau und dennoch komplex in dem generierten Bewegungsmuster sind, besonders deshalb an, weil in solchen Systemen die Bewegung messbar und quantifizierbar ist. Die hier vorliegende Dissertation beschreibt und interpretiert die postembryonale Entwicklung der zentralen Mustergeneration für Flug während der – für holometabole Insekten typischen – Metamorphose des Tabakschwärmers, Manduca sexta. Im Besonderen wurden die möglichen Einflüsse des biogenen Amines Tyramine auf die zentrale Generation der motorischen Flugmuster untersucht, ein im Bereich der Vertebraten, sowie invertebraten Neurobiologie, aktuell diskutiertes Thema. Wenn auch die Verschaltung des Neuronalen Neztwerkes nicht beschrieben ist, so bietet das gut untersuchte motorische Flugsystems von Manduca sexta die Möglichkeit im isolierten Nervensystem des Tabakschwärmers, modellhaft fiktive motorische Muster pharmakologisch zu induzieren. Somit ist es möglich die Funktionalität, mögliche Veränderungen des Flugmusters und modulatorische Effekte auf den motorischen Ausgang des zentralen Mustergenerators für Flug zu beschreiben, und entsprechende Rückschlüsse im Zusammenhang mit den bereits publizierten strukturellen und physiologischen Veränderungen im zentralen Nervensystem zu diskutieren. Im ersten Manuskript (Chapter 2) wurde untersucht ab wann das Netzwerk für die Generation der zentralen Flugmusters in der Lage ist, flugähnliche Muster zu generieren und ob es im Verlauf der weiteren Entwicklung zu Anpassungen des Musters kommt, oder ob das Netzwerk ab einem bestimmten Zeitpunkt in der Lage ist, das reife, adulte Flugmuster zu produzieren, da das neuronale Netzwerk bereits postembryonal angelegt war. Die Untersuchungen zeigen, dass es nicht möglich ist fiktive Flugmusters in jüngeren Entwicklungsstadien als das Puppenstadium 16 auszulösen (aus einer Gesamtheit von 20 Tagen der Entwicklung). Während der verbleibenden Zeit der Puppenentwicklung reift das zentral generierte Flugmuster, die Frequenz und die Präzision nehmen zu, wahrscheinlich in Abwesenheit sensorischer Einflüsse, progressiv zum fertigen, adulten Flug zugrunde liegendem Muster. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Veränderungen in den physiologischen Eigenschaften des Flugmotoneurons MN5, als eines der fünf Depressor Motoneurone für Flug, zeitlich mit dem ersten Auftreten von EPSPs, nach pharmakologischer Induktion des Fluges, in den Depressor-Motoneuronen korrelieren. Weiterhin koinzidieren die strukturelle Entwicklung des MN5 und somit wahrscheinlich die funktionelle Integration in das Flugnetzwerk mit dem Auftreten prä-maturer, fiktiver Flugmuster im Puppenstadium 16. Die Tatsache, dass flugähnliche Muster nicht vom zentralen Mustergenerator für Flug in jüngeren Puppenstadien als P16 generiert werden, ist nicht auf eine GABAA-vermittelte Inhibition des Netzwerkes zurückzuführen. Zudem finden sich indirekte Hinweise darauf, dass sich die Elevator Motoneurone mit einem anderen zeitlichen Verlauf als die Depressor Motoneurone entwickeln. Im zweiten Manuskript (Chapter 3) wurde untersucht, ob die biogenen Amine Oktopamine und Tyramine unterschiedliche Effekte auf den zentralen Mustergenerator für Flug in Manduca haben, oder wie bisher angenommen, antagonistische Wirkungen hervorrufen. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass Tyramin einen direkten Einfluss auf die Generierung des zentralen Flugmusters hat und im Gegensatz zu Oktopamin selektiv nur auf die Aktivität der Depressoren wirkt. Dieses Ergebnis trägt vielleicht dazu bei, der zukünftigen Akzeptanz von Tyramin als eigenständiger Neuromodulator mit abgrenzbaren Wirkungen Rechnung zu tragen. Dieses Kapitel (Chapter 4) untersucht, ob sich aus der funktionell homogenen Population larvaler octopaminerger, unpaariger Neurone während der Metamorphose funktionell unterschiedliche Subpopulationen differenzieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Zahl dieser Neurone im Verlauf der postembryonalen Entwicklung zunimmt. Dies könnte die bekannte Zunahme des Oktopamin Levels während der Entwicklung erklären und korreliert zudem mit dem Level der für die Oktopamin-Synthese verfügbaren Enzyms Tyramine-beta-hydroxylase. Wenn auch anatomisch unterschiedliche Subpopulationen der unpaarigen Neurone, wie in Locusten beschrieben, ebenfalls für Manduca gezeigt werden konnten, wurden keine funktionellen Unterschiede hinsichtlich der Rekrutierung während des fiktiven Flugs gefunden. Die Zahl der Neurone unterscheidet sich deutlich in Locusten, ca. 19-21 Neuronen, gegenüber nur 6-8 in Manduca. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Funktion der mesothorakalen VUM Neurone in Manduca eine andere ist, als in Locusta beschrieben. In dem letztem Kapitel der hier vorliegenden Dissertation (Chapter 5) möchte ich die Frage stellen, ob es wie in Locusta einen cholinergen Mechanismus für die Aktivierung des zentralen Mustergenerators in Manduca sexta gibt. Muskarinische Stimulation des Flugnetzwerks zeigten ein dem fiktiven Flug ähnliches, aber langsameres, rhythmisches Muster, welches durch eine starke Übererregung im Flugnetzwerk oder der Motoneurone bewirkt wird, was aber nicht weiter verifiziert wurde.