Ein Schlaf- und Bewegungs-Stopneuron mit kompartmentalisierter Ca2+ Dynamik als Regulator von zentralen Mustergeneratoren?

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Gottschalk
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323383487

Tiere müssen ihre Fortbewegung aktiv beenden, um bestimmte Ereignisse abzuwarten, oder vor Richtungswechseln. Auch das Einschlafen geht mit dem Beenden von Bewegung einher, jedoch geschieht dies typischerweise durch verschiedene Mechanismen. Im Nematoden Caenorhabditis elegans reguliert jedoch ein einzelnes Neuron, RIS, sowohl den Schlaf (in Larvenstadien), als auch den Bewegungsstopp (in adulten Tieren). RIS wird jeweils kurz vor Beginn des Abbremsens aktiv und reguliert außerdem auch eine darauffolgende Rückwärtsbewegung. RIS weist eine entlang seines Axons kompartimentierte Ca2+-Dynamik auf: Während der terminale Teil bei jeder Verlangsamung aktiv wird, zeigt ein ventraler Zweig des Axons nur dann Aktivität, wenn auf die Verlangsamung auch eine Rückwärtsbewegung folgt. Durch optogenetische Stimulation konnten wir zeigen, dass RIS die Bewegung durch Freisetzung von GABA und FLP-11 Neuropeptiden stoppt. Letztere unterdrücken rhythmische/synchrone Aktivität von Motoneuronen als Teil von Mustergeneratoren, was aber noch genauer geklärt werden muss. Zudem ist das Zusammenspiel von RIS mit anderen Neuronen, welche Vorwärts- und Rückwärtsbewegung initiieren bzw. regulieren, noch unklar.Mit diesem Fortsetzungsantrag wollen wir RIS‘ Funktion im Kontext anderer Neuronen adressieren. Gleichzeitige Analysen der Ca2+-Dynamik in RIS und RIM-Neuronen (letztere orchestrieren des Umkehrverhalten) in frei beweglichen Tieren, zeigen ein aktives Zusammenspiel, wobei RIS-Aktivität überraschenderweise RIM vorausgeht. Darüber hinaus fanden wir durch Voltage Imaging aktive elektrische Synapsen zwischen RIS und RIM, sowie AVJ-Neuronen, welche in dem ventralen Zweig des RIS-Axons lokalisieren. Wir wollen dies genauer analysieren, sowie Interaktionen von RIM mit PVC Kommandoneuronen (für Vorwärtsbewegung), welche chemische Synapsen mit dem Zweig ausbilden. Diese könnten RIS hemmen um Rückwärtsbewegung zu verhindern, denn der axonale Zweig von RIS wird immer dann aktiv unterdrückt, wenn nur Verlangsamung ohne Rückwärtsbewegung resultiert. Durch Voltage Imaging konnten wir zeigen, dass die RIM- und RIS-Neuronen eng gekoppelte, aber reziproke Membranpotentialänderungen aufweisen, möglicherweise über gleichrichtende Gap Junctions. Wir werden diese Wechselwirkungen und die Rolle verschiedener molekularer Akteure (Gap Junction Untereinheiten, Neuropeptidrezeptoren) analysieren. Außerdem wollen wir die elektrische Dynamik in Motoneuronen entlang des ventralen Nervenstrangs analysieren: RIS-Photostimulation könnte verschiedene Gruppen von Motoneuronen unterschiedlich beeinflussen, was spezifische Effekte bei der Mustergenerierung aufdecken könnte.Die Analyse der Funktionen von RIS bei Schlaf- und Stoppregulation, und wie RIS Mustergeneratoren entkoppelt, wird helfen zu verstehen, wie sich diese grundlegenden Funktionen, vereinigt in einem einzigen Neuron im kompakten C. elegans-Nervensystem, weiterentwickelt und in höheren Tieren auf verschiedene Hirnbereiche verteilt haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen