Neuromediators in the developing olfactory system: 3D-reconstruction towards a functional understanding

During ontogenesis of holometabolic insects like butterflies (Lepidoptera) life circumstances change radically. While larval life is dominated by eating and growing, adult animals need to cope with quite different properties of sensory stimuli, especially during flight. This asks for a complete rebu...

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Main Author: Hütteroth, Wolf-Dietmar
Contributors: Schachtner, Joachim (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2008
Biologie
Subjects:
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Table of Contents: Während der Ontogenese holometaboler Insekten wie zum Beispiel der Schmetterlinge (Lepidoptera) kommt es zu radikalen Änderungen der Lebensumstände: während das Leben der Larve weitestgehend auf Fressen und Wachsen ausgerichtet ist, verlangt die Möglichkeit des Fluges dem adulten Tier völlig andersgeartete Herausforderungen ab. Während der Metamorphose nimmt das Gehirn um etwa das zehnfache an Volumen zu, einige larvenspezifische Zellen sterben, andere adultspezifische Neuroblasten proliferieren und wieder andere Nervenzellen werden umgebaut, um den neuen Anforderungen gewachsen zu sein. Eine stark konservierte Rolle in dieser Individualentwicklung spielt das gasförmige Signalmolekül Stickstoffmonoxid (NO), dessen Einfluss auf die Neurogenese bereits in mehreren Systemen demonstriert wurde. Auch in Manduca wurde eine Einflußnahme auf die Antennallobus-Entwicklung gezeigt. Nun sind die Wirkmöglichkeiten von NO mannigfach: es kann sowohl direkt durch ADP-Ribosylierung oder S-Nitrosylierung Proteine beeinflussen, aber auch weitere Signalkaskaden stimulieren. Prominentestes Beispiel hierfür in Manduca wäre die transiente cGMP-Synthese durch NO-abhängige lösliche Guanylatzyklasen. Das gebildete cGMP weist wiederum ein weites Wirkspektrum auf, welches von direkt abhängigen Ionenkanälen (cyclic nucleotide gated channels, CNGs) bis hin zur Aktivierung von Proteinkinasen reicht. Im Rahmen unserer Arbeitshypothese wird durch selektive cGMP-Produktion in einem definierten Zeitfenster der Antennallobus-Entwicklung die Ausschüttung von Neuropeptiden in lokalen Interneuronen bewirkt. Hierdurch bestünde die Möglichkeit, ein weitgehend undifferenziertes Entwicklungssignal zu spezifizieren, um gezielt einzelne synaptische Verbindungen zu stärken. Sowohl zum NO/cGMP-System als auch zu verschiedenen Neuropeptiden im sich entwickelnden Antennallobus existierten erste Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe. Die begonnenen Arbeiten zu den Neuropeptiden wurden durch anatomische und pharmakologische Arbeiten zu Allatotropin sowie der Charakterisierung der lateralen Zellgruppe mittels MALDI-TOF Massenspektrometrie erweitert. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit sollte jedoch auf der genaueren Charakterisierung des NO/cGMP-Signalweges im sonst gut etablierten Modellsystem des sich entwickelnden Antennallobus von Manduca sexta liegen. Hierzu wurde zunächst die in Frage kommende Zellgruppe auf deren Fähigkeit zur Verlängerung des NO-Signals untersucht, gefolgt von einem Test auf möglichen Zelltod während der Entwicklung. Da aufgrund fehlenden Zelltodes von einer stabilen Neuronpopulation in dieser Zellgruppe ausgegangen werden konnte, wurde der Signalweg genauer hinsichtlich seines Zeitfensters, seiner Spezifität sowie der Anzahl beteiligter Neurone untersucht. Ebenfalls wurde eine Möglichkeit zu seiner Signifikanz für die neuronale Entwicklung aufgezeigt. Hierbei wurden die Arbeiten weiterer Arbeitsgruppenmitglieder integriert. Zudem kam in dieser Arbeit mit der 3D-rekonstruktionsbasierten Volumetrie eine Methode zum Einsatz, die sich im Folgenden auch in anderen Bereichen der Arbeitsgruppe als wichtiges Werkzeug herausstellte. Voraussetzung hierfür war jedoch die Etablierung eines geeigneten Protokolls sowie die Definition leicht identifizierbarer Neuropilbereiche im Antennallobus während der Entwicklung. Nachdem dieses Protokoll eingeführt war, lag die Ausweitung der Methode auf das gesamte Hirn nahe, was im Rahmen einer betreuten Diplomarbeit geschah. Im Anschluss erfolgte die Anwendung des erstellten Volumen-Standardgehirnes in Form einer volumetrischen Erfassung des Geschlechtsdimorphismus. Die gewachsene anatomische Expertise wurde im Rahmen einer Kooperation am Antennallobus von Manduca sexta angewandt. Hierfür wurden Projektionsneurone intrazellulär abgeleitet und ihre Antwortprofile auf eine Reihe standardisierter Duftreize bestimmt. Nach intrazellulärer Färbung wurden die Glomeruli identifiziert, in denen diese Projektionsneurone dendritische Verzweigungen hatten und in einem 3D-Atlas dargestellt. Eine 4D Darstellung wurde durch Verknüpfen des räumlich-anatomischen 3D-Atlas mit der farbkodierten neuronalen Aktivität der einzelnen Elemente dieses virtuellen Ensembles erreicht.