Analysen zur Strukturplastizität in synaptischen Mikroschaltkreisen im Pilzkörper der Honigbiene nach sensorischer Erfahrung

• Antragstellerin: Dr. Claudia Groh-Baumann
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Biologie des Verhaltens und der Sinne
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430253184

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Europäische Honigbiene, Apis mellifera, ist ein wichtiger Modellorganismus, der eine außergewöhnliche neuronale Plastizität aufweist, die sich in sensorischen Integrationszentren wie den Pilzkörpern (PK) zeigt. Die PK-intrinsischen Neurone, genannt Kenyonzellen, erhalten Informationen von den Antennal- und optischen Loben. Innerhalb des PK-Calyx bilden axonale Boutons olfaktorischer und visueller Projektionsneurone (PN) synaptische Komplexe (Mikroglomeruli, MG) mit dendritischen Spezialisierungen beider Klassen von Kenyonzellen (Klasse I und II). Frühere Studien, die neuronale Plastizität hauptsächlich auf quantitativer 3D-Bildgebung von Synapsin-markierten PN-Boutons untersucht haben, zeigen, dass MG eine synaptische Reorganisation v.a. während des Verhaltensübergangs innerhalb des Stockes zur Sammeltätigkeit erfahren. Dieser Übergang spiegelt sich in einer Verringerung der MG-Anzahl und -Dichte wider. Gleichzeitig deutet eine Zunahme des Neuropilvolumens des PK-Calyx darauf hin, dass dendritische Verzweigungen der Kenyonzellen und somit die Anzahl postsynaptischen Partner innerhalb der MG zunehmen. In diesem Projekt haben wir uns auf die zelluläre und subzelluläre Architektur und Plastizität einzelner MG im PK-Calyx auf prä- und postsynaptischer Seite fokussiert. Druckinjektionen zur Applikation von Fluoreszenzfarbstoff in die vertikalen Loben der PK wurden durchgeführt, um Subpopulationen von Kenyonzellen im Calyx zu charakterisieren. Unsere Analysen zeigen, dass einzelne Dendriten beider Kenyonzellen-Klassen nur eine dendritische Spezialisierung (entweder einen Dorn oder eine Klaue) zu einem individuellen PN-Bouton ausbilden. Die Ausbildungsform und Kontaktrate dornartiger Spezialisierungen der Kenyonzellen der Klasse I ist altersunabhängig. Das lässt vermuten, dass hier ein hohes Maß an Plastizität während des Lebens erhalten bleibt. Klauenartige Spezialisierungen der Klasse II Kenyonzellen weisen eine altersunabhängige Größenvarianz, was auf Plastizität in den postsynaptischen Kontaktbereichen hindeutet. Kombinationen aus Antikörperfärbungen und neuronalem Tracing im expandierten Gewebe zeigen, dass die Expansions-Mikroskopie qualitative und quantitative Analysen struktureller MG-Plastizität mit konventioneller konfokaler Laserscanning-Mikroskopie bei hoher Auflösung ermöglicht. Mit Hilfe von Elektronentomographie zeigen wir einen Ansatz zur Visualisierung und Quantifizierung der ultrastrukturellen präsynaptischen Architektur und deren Plastizität in visuellen PN-Boutons im MB-Calyx. Wir konnten keine altersbedingten oder lichtinduzierten Auswirkungen auf die Dichte der Clear-Core-Vesikel sowie die Anzahl aktiver Zonen feststellen. Das deutet darauf hin, dass die PN-Boutons auch im Dauerdunkel einen steady-state Zustand beibehalten. Unsere quantitativen mikroskopischen Analysen mit hoher räumlicher Auflösung sind essenziell zum Verständnis der zellulären und subzellulären Mechanismen von Synapsenplastizität und im Rahmen der integrativen Untersuchungen von Struktur-Funktions-Beziehungen von zentraler Bedeutung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Analysis of Synaptic Microcircuits in the Mushroom Bodies of the Honeybee. Insects, 11(1), 43.
  Groh, Claudia & Rössler, Wolfgang
  
• Bigger brains are better: Shedding new light on neuroplasticity in the honeybee using expansion microscopy. 113th annual meeting of the German Zoological Society – online (poster)
  Kraft N., Muenz T.S., Werner C., Sauer M., Groh C. & Rössler W.
  
• Expansion microscopy in honeybee brains: a new attempt to push the limits of neuroanatomical analyses in social insects. 14th Göttingen meeting of the German Neuroscience Society – online (poster)
  Kraft N., Muenz T.S., Werner C., Sauer M., Groh C. & Rössler W.
  
• Adult neuronal plasticity of olfactory mushroom body microcircuits in the honeybee Apis mellifera. 18th European Symposium for Insect Taste and Olfaction (talk)
  Groh C.
  
• Developmental and adult neuronal plasticity of mushroom body microcircuits in Hymenoptera. Mushroom body meeting (talk)
  Groh C.
  
• Expansion microscopy in honeybee brains for high-resolution neuroanatomical analyses in social insects. Cell and Tissue Research, 393(3), 489-506.
  Kraft, Nadine; Muenz, Thomas S.; Reinhard, Sebastian; Werner, Christian; Sauer, Markus; Groh, Claudia & Rössler, Wolfgang
  
• Light-induced ultrastructural synaptic plasticity in the mushroom body calyces of honeybees using STEM tomography. 15th Göttingen meeting of the German Neuroscience Society (poster)
  Kraft N., Stigloher C., Rössler W. & Groh C.
  
• Analysis of mushroom body synaptic circuits in the adult Apis mellifera brain. 15th Internat. Congress of Neuroethology (poster)
  Nicolaidou A.R,. el Jundi B., Rössler W. & Groh C.