Blutegel_Referat

Imaging Dedicated and
Multifunctional Neural
Circuits Generating
District Behavior
Kevin L. Briggman and Wiliam B. Kristan Jr
• Zentrale Muster Generatoren (Central Pattern Generator (CPG)):
Kern der Erzeugung vieler rhythmischer Verhalten im Nervensystem
•
CPGs bringen Motorneurone dazu, Muskeln zielgerichtet zu aktivieren
•
gleiche Muskeln für unterschiedliche Verhalten
zwei Modelle, wie CPGs organisiert sind:
1. Reservierte Kreisläufe (dedicated circuitry)
- anatomisch verschiedene Neuronenpopulationen ausschließlich für das
Erzeugen eines Verhaltens zuständig
- bei Heuschrecken beobachtet worden (zwei unterschiedliche
Neuronenpopulationen, die das Laufen und das Fliegen kontrollieren und
in den selben Muskeln zusammenlaufen)
2. Vielseitige Kreisläufe (multifunctional circuitry)
- stellen einen gewissen Grad der Überschneidung von
mehreren CPGs dar
- häufige Eigenschaft von vielen Invertebraten - Nervensystemen
- im Extremfall kann dadurch ein einzelnes Netzwerk,
durch neuronale Anpassung, so umgeschaltet werden, dass es mehrere
Rhythmen erzeugt
Methoden:
• Präparat: Hirudo medicinalis ( der europäische medizinische
Blutegel)
• ganzer Nervenstrang herauspräpariert (mit head- und tailbrain
& allen 21 Ganglien)
• betrachtet wurde Ganglion 10 (G10)
• Retzius-Zellen und Bindegewebe wurde entfernt
• für Extrazellulärableitungen und Stimmulation: zwei dorsale
posterior (DP) Nerven, zwischen G12 und G15
• „Schwimmen“ auslösen: DP(12) und DP(13) mit 10 ms langen
Pulsen von 15 Hz und 2-3mV stimulieren
• „Kriechen „ auslösen: einzelne tailbrain Nerven mit den
gleichen Pulsen stimulieren
• FRET = fluorescence resonance energy transfer
• auf FRET- basierende spannungs-empfindliche Farbe
(voltage-sensitive-dye (VSD) benutzt
• Experimente alle überwacht durch intrazelluläre Ableitung von
zwei Zellen:
- Ableitungen der dorsalen Oberfläche: Zelle 1 und Zelle 3
- Ableitungen von der ventralen Oberfläche: Zelle CV und
Zelle AE
• als Referenz für die optische Ableitung der Zellen wurden die
optischen Signale von Zelle 3 (dorsale Seite, Schwimmen,
Kriechen), von Zelle AE (ventrale Seite, Kriechen) und Zelle
208 (ventrale Seite, Schwimmen) herangezogen
• untersucht wurden das Schwimmen und das Kriechen eines
Blutegels
• Längs- und Ringmuskulatur, in grundlegend unterschiedlichen
Weisen koordiniert, um die zwei Formen der Fortbewegung
auszuführen
Wichtig: Ein Blutegel kann nicht gleichzeitig Schwimmen
und Kriechen!!!
• jeder der zwei Fortbewegungsvarianten liegt ein CPG zu
Grunde
Bestehen die zwei CPGs aus getrennten oder sich
überschneidenden Neuronenpools?
Das Schwimmen:
•
•
•
•
abwechselnde dorsale und ventrale Kontraktionen der
Längsmuskulatur
pflanzen sich über die Länge des Tieres fort
dorsoventrale Muskulatur verstärkt aktiv, um dem Tier
beim Abflachen zu helfen
hauptsächlich hemmende CPG Interneurone sind für die
Steuerung der periodischen Kontraktionen verantwortlich
Das Kriechen:
•
•
•
Kontraktion der Ringmuskulatur bewirkt Ausdehnung des
Körpers
Co-Kontraktion der dorsalen und ventralen
Längsmuskulatur bewirkt Verkürzung des Körpers
Elongation und Kontraktion der Muskeln pflanzen sich
der Länge des Egels nach fort
Das Nervensystem kann sehr schnell zwischen Schwimmen und Kriechen hin- und
herschalten ( innerhalb von 1-2 Sekunden)
Zusammenhängende Oszillationen der Neurone beim
Schwimmen und Kriechen an der dorsalen Seite
•
zur Beobachtung der Überlappung der CPGs der beiden Verhaltensweisen, wurden
alle Neurone in einem Ganglion eines Segments während der zwei laufenden
motorischen
Rhythmen dargestellt
•
intakter Nervenstrang isoliert; dorsale/ventrale Oberfläche
von Ganglion 10 für VSD - Ableitung
•
Motorneuronenmuster für beide Verhalten als motorische Reize
in DP-Nerven von Segment 12 und 13 abgeleitet
(extrazelluläre Ableitung)
dorsale Seite von G10
Extrazellulärableitung beim Kriechen
Extrazellulärableitung beim Schwimmen
• gleichzeitig intrazellulär von zwei Motorneuronen, Zelle 1 und Zelle 3,
abgeleitet, um die optische Ableitung abzugleichen
Zelle 3 erregt dorsale Längsmuskulatur
Zelle 1 hemmt dorsale Längsmuskulatur
Intrazellulär (schwarz) & optisch (rot)
beim Kriechen
Intrazellulär (schwarz) & optisch
(rot) beim Schwimmen
Phasendiagramme
Kriechen
Schwimmen
Zusammenhängende Oszillationen der Neurone
beim Schwimmen und Kriechen an der ventralen
Seite
• ähnliche Experimente wie bei der dorsalen Oberfläche von G10
Extrazellulärableitung von DP-Nerven
in Segment 12 und 13
ventrale Seite von G10
Extrazellulärableitung beim Kriechen
Extrazellulärableitung beim Schwimmen
optische Ableitung und gleichzeitig Intrazellulärableitung von zwei
Motorneuronen (Zelle CV und Zelle AE)
intrazelluläre (schwarz) & optisch
(rot) Ableitung beim Kriechen
•
intrazelluläre (schwarz) & optische
(rot) Ableitung beim Schwimmen
CV regt Ringmuskulatur an und ist in der Dehnungsphase des Kriechens
aktiv
• AE ist in der´Kontraktionsphase depolarisiert
Phasendiagramme
Kriechen
Schwimmen
Zusammenfassung der dorsalen und
ventralen Phasenkarten
Eine Zelle wurde in das zusammengefasste Phasendiagramm
aufgenommen, wenn:
1. während Schwimmen und/oder Kriechen immer die
gleiche Phase
2. immer etwa der gleiche Durchmesser und etwa die
gleiche Position im Gliapaket
Dies musste in 4 von 8 (dorsalen) bzw. 6 (ventralen)
Untersuchungen der Fall sein
Zusammenfassende Phasenkarten für
Kriechen und Schwimmen
dorsal
ventral
Die Netzwerke für das Schwimmen und das
Kriechen überschneiden sich
•
Bestimmung des Übrlappungsgrades:
Wie viele Neuronen waren in jeder Phase jedes Verhaltens aktiv?
Kriechen
•
•
•
Schwimmen
fast gleiche Anzahl an Zellen in jeder der Schwimmphasen stimmt mit der
bekannten Phasen Streuung von bekannten Neuronen im Schwimm-CPG
(„Schwimmmustergenerator“) überein
bei der Elongation des Kriechen sind doppelt so viele Neurone aktiv als bei der
Kontraktion
mehr als doppelt so viele aktive Neurone beim Kriechen (188) im Vergleich zum
Schwimmen (90)
• Überlagerung der Neuronenaktivität während der beiden
Verhaltensweisen ist sehr hoch:
- 93% der Zellen, die beim Schwimmen
oszillieren, sind auch beim Kriechen
aktiv
• Um herauszufinden, ob bestimmte Phasen
eines Verhaltens vorhersehbar sind
hat man eine Kontingenztabelle angelegt
• Beispiel für zwei Phasen-Kombnationen im
Übergang vom Kriechen zum Schwimmen:
Kriechen
Schwimmen
• Zellen 3 und 4 oszillieren während des Kriechens phasengleich und beim
Schwimmen sind sie um 180° phasen-verschoben
Bestimmung von Neuronen mittels der
zusammengefassten Phasenkarte
• vorher unbekannte Neurone werden identifiziert (durch VSD)
• Zelle 255: - depolarisiert und spikt in Elongationsphase des
Kriechens (phasengleich mit CV)
- hyperpolarisiert während der Kontraktionsphase des
Kriechen
- beim Schwimmen gleichzeitig aktiv mit Zelle 208
- in 15 Präparationen elektrophysiologisch identifiziert
- 14 von 15 Mal mit fluoreszierender Farbe gefüllt
Morphologie
- immer nur ein so ein Neuron pro Ganglion gefunden
Phasengleiche Oszillation der Zelle 255 in zwei Verhalten,
weißt auf Mitwirkung des Neurons in zwei CPGs hin.
Prüfen der Hypothese:
• de - und hyperpolarisierender Stom (2-5s) in Zelle 255 bei laufenden
Verhalten
• depolarisierender Strom:
- während Kontraktion
Abbruch der Kontraktion
und früheres Einsetzten der Dehnung
- während der Elongation
kein Effekt aufs Kriechen
der depolarisierende Strom kann also das Kriechen beschleunigen
dieses Neuron depolarisiert nicht nur bei der Dehnung, sondern ist
auch an der Erzeugung der Elongation im „Kriech- CPG“ beteiligt
• depolarisierender Strom während des Schwimmens:
Abbruch des Schwimmabschnitts oder
Verlangsamung einer Schwimmperiode für die Dauer des Reizes
• hyperpolarisierender Strom
keinen bleibenden Einfluss auf keinen Rhythmus
Zelle 255 ist ein multifunktionales Neuron, es oszilliert mit
beidenVerhaltensweisen
• Zelle 257: - Membranpotential oszilliert beim Kriechen, nicht beim
Schwimmen
- wie Zelle 255 spikt sie in Elongationsphase des Kriechens
- beim Schwimmen ist die Zelle stark hyperpolarisiert
diese Zelle ist eine reservierte, nur für ein Verhalten bestimmte Zelle, da
sie nur beim Kriechen aktiv ist und beim Schwimmen hyperpolarysiert
Fazit:
mit diesen Phasenkarten(-diagrammen) kann man:
• Dynamik in Kreisläufen besser darstellen
• einzelne Bestandteile der Kreisläufe besser
identifizieren [z.B. Zelle 255(multifunktional)]
• Informationen über Überschneidung zweier CPGs
erhalten
• multifunktionale Neurone oder z.B. speziell die
individuellen Neurone, die das Kriechen bedingen,
untersuchen
Im Falle des „Kriech - CPG“ weiß man nun, dass beim Kriechen mehr
Neurone aktiv sind im Vergleich zum Schwimmen
„Kriech – CPG“ stärker verteilt als das „Schwimm- CPG“
Eine Interpretation: „Schwimm - CPG“ überlagert „Kriech – CPG“
- alle Spezien des Blutegels können Kriechen
- nur etwa die Hälft der Spezien können
Schwimmen
Kriechen evolutionär einfacher
Schwimmen durch
Mitbenutzung des bereits bestehenden Kreislaufs entwickelt
• die starke Überlappung der Neurone der Schwimm- und
Kriechpopulationen lässt vermuten, dass sie Teil eines
dynamischen Systems sind, dass in zwei Systemen, in
unterschiedlichen Zeitskalen, arbeiten kann.