Mnemonic architecture of a mini-brain : determining the wiring diagram of the larval mushroom body of Drosophila melanogaster using EM reconstruction

Abstract

In der vorliegenden Doktorarbeit untersuche ich Lernen und Gedächtnis in Drosophila Larven. Die Fruchtfliege Drosophila melanogaster hat sich in den letzten Jahren zunehmend als geeigneter Modellorganismus zur Erforschung von neuronalen Netzwerken und Verhalten etabliert. Drosophila als Modellsystem bringt große Vorteile mit sich, so ist zum Beispiel das gesamte Genom sequenziert. Dies ermöglichte die Entwicklung eines umfangreichen genetischen Toolkits, welches erlaubt einzelne Gene und auch einzelne Zellen in beinahe unlimitierter Art und Weise zu manipulieren. Zusätzlich verfügt das Fliegengehirn nur über 100.000 und das larvale Gehirn sogar nur über 10.000 Nervenzellen. Somit wird die Erforschung der Aufgaben, welche Neurone in bestimmten Verhalten übernehmen, auf der Einzelzellebene in adulten sowie in larvalen Drosophila handhabbar. Es wurde gezeigt, dass verschiedene assoziative Lernprozesse von mehreren Reizen im Pilzkörper stattfinden, dieser ist eine Struktur im Zentralgehirn von Insekten. Der Pilzkörper besteht aus parallelen Fasern, den sogenannten Kenyon-Zellen, in denen das gemeinsame Auftreten von konditionierten und unkonditionierten Reizen ermittelt wird. Während der konditionierte Reiz den Pilzkörper über die Haupteingangsstruktur, der sogenannten Calyx, erreicht, signalisieren die Eingangsneurone der Loben den unkonditionierten Reiz. Von den Loben senden Pilzkörper-Ausgangsneurone die gelernte Information zu prämotorischen Gehirnzentren weiter. Jedoch waren die Details über die Verknüpfungen, die Nervenzellen in dieser Gehirnregion miteinander machen, zu Beginn meiner Arbeit unbekannt. Folglich ist ein zentrales Ziel meiner Doktorarbeit die Feinstruktur des Zentrums für Lernen und Gedächtnis, in einem Larvengehirn mit einer Auflösung auf Synapsenebene, zu erstellen. Weiterhin charakterisiert die vorliegende Doktorarbeit die neuronale Organisation von unkonditionierten Reizen, welche zum Pilzkörper signalisiert werden. Zunächst beschreibe ich in Kapitel I eine elektronmikroskopische Studie, welche sich der Charakterisierung des Pilzkörpers im Detail widmet. Hierfür habe ich alle Pilzkörper intrinsischen Kenyon-Zellen und alle ihre pre- und postsynaptischen Partner von Hand rekonstruiert. Diese Arbeit wurde im Gehirn einer Larve im ersten Lebensstadium durchgeführt in einem Datensatz, welcher von Albert Cardona zur Verfügung gestellt wurde. Der Antennallobus ist das Duftzentrum, welches die Duftinformation in andere Gehirnzentren sendet, so auch in den Pilzkörper. Die Rekonstruktion des larvalen Antennallobus von Berck und Kollegen im selben Datensatz ermöglichte mir die Charakterisierung des Eingangs von konditionierten Reizen, welche die Kenyon-Zellen auf ihren Dendriten erhalten. In diesem Kapitel präsentiere ich das Konnektom des larvalen Lernzentrums, welches nun erstmalig die Verschaltungen im Pilzkörper in einer Detailgenauigkeit beschreibt, die zuvor nicht erreichbar war. Während alle Verhaltensstudien in dieser Doktorarbeit Larven im dritten Stadium nutzen, wurde die Rekonstruktion mit einer Larve im ersten Stadium durchgeführt. Deswegen beschäftigt sich Kapitel II mit dem Vergleich dieser beiden Lebensstadien von Drosophila im Bezug auf angeborenes und gelerntes Verhalten. Hierbei konnte ich eine hohe übereinstimmung der beschriebenen Verhalten feststellen, somit lassen sich Studien zur Anatomie und zum Verhalten der Larve über ihre Entwicklung hinweg vergleichen. Anschließend führe ich ein aversives assoziatives Duftlernen in Kapitel III ein. Hier benutze ich einen mechanosensorischen Stimulus als Bestrafung und zeige, dass dieser angeborenes und erlerntes Fluchtverhalten in Drosophila Larven im dritten Stadium verursacht. In Kapitel IV beschreibe ich die Organisation des Belohnungssystems im Pilzkörper. Hier dokumentiere ich die Rolle von Eingangs- und Ausgangsneuronen des Pilzkörpers in appetitiven assoziatives Duftlernen in Larven im dritten Stadium. Hierfür wurden diese Zellen aktiviert oder deren Informationsübertragung an Synapsen ausgeschaltet. In Kapitel V beschreibe ich noch einmal den aktuellen Stand der Lern- und Gedächtnisforschung in Drosophila Larven in Form eines Reviews. Zusammenfassend, zeige ich in meiner Doktorarbeit, dass die Drosophila Larve ein geeigneter Modellorganismus für die Erforschung von assoziativen Duftlernen und dessen zugrunde liegenden Mechanismen ist. Das Konnektom des Pilzkörpers wird die Gedächtnisforschung weiter vorantreiben und als Grundlage neuer Experimente dienen. Somit rückt ein Verstehen von erfahrungsabhängigen Verhaltensweisen durch die Integration von sensorischen Stimuli, um so mit der gelernten Information zum Beispiel leichter Futter zu finden und Fressfeinde zu vermeiden, in greifbare Nähe.