Zelluläre Mechanismen zur Etablierung neuronaler homöostatischer Sollwerte während einer embryonalen kritischen Periode.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kritische Perioden sind transiente Phasen mit erhöhter Plastizität, die für die korrekte Funktion neuronaler Netzwerke entscheidend sind. In kritischen Perioden auftretende Aktivitätsmuster können Netzwerke langfristig verändern, haben aber in anderen Entwicklungsstadien weniger Auswirkungen. Traditionell wurden kritische Perioden im visuellen System von Säugetieren untersucht. Mittlerweile wurden diese in verschiedenen Spezies und neuronalen Ensembles identifiziert, von der Sprachentwicklung des Menschen bis zum motorischen Verhalten bei Ratten, Fischen und Insektenlarven. Die Universalität von kritischen Perioden über verschiedene Phyla wird zunehmend erkannt, jedoch bleiben die zugrunde liegenden Mechanismen komplex und nicht vollständig verstanden. Um dies zu untersuchen, nutzen wir das Nervensystem der Fruchtfliegenlarve Drosophila melanogaster. Obwohl Drosophila über ein einfacheres Nervensystem verfügt, weist es mehrere kritische Perioden mit ähnlichen Merkmalen wie die der Säugetiere auf. Die bislang am besten charakterisierte kritische Periode tritt während der Embryogenese auf und beeinflusst das larvale Kriechnetzwerk. Wir untersuchen die Effekte von transienten Manipulationen während der kritischen Periode auf zelluläre Eigenschaften in diesem Netzwerk. Erhöhungen der neuronalen Aktivität reduzierten Netzwerkstabilität signifikant. Umgekehrt kann gezeigt werden, dass in Fliegen, welche als Epilepsie Modell genutzt werden, eine transiente Reduktion neuronaler Aktivität während der kritischen Periode charakteristische Epilepsiephänotypen rettet. Obwohl die genetische Manipulation neuronaler Aktivität methodisch nützlich für die Untersuchung von kritischen Perioden ist, spiegeln sie nicht die natürlichen Faktoren wider, welche neuronale Aktivität beeinflussen. Diese Studie untersucht die Umgebungstemperatur, die in poikilothermen Tieren Entwicklungsgeschwindigkeit und neuronale Aktivitäten beeinflusst, als einen ökologisch relevanten Einflussfaktor während einer kritischen Periode. Wir konzentrieren uns auf das Kriechsystem der Drosophila-Larve zeigen heterogene Reaktionen verschiedener Netzwerkkomponenten auf transienten Hitzestress. Eine erhöhte Temperatur steigert die neuronale Aktivität und führt zu einer langfristigen verringerten Netzwerkstabilität, ähnlich wie bei etablierten genetischen Aktivitätsmanipulationen während der kritischen Periode. Zu den Phänotypen gehören ein Überwachsen präsynaptischer Terminale an der neuromuskulären Synapse sowie Veränderungen in der Zusammensetzung postsynaptischer Rezeptoren, wobei synaptische Übertragung homöostatisch reguliert bleibt. Im ZNS reduziert embryonaler Hitzestress die Erregbarkeit von larvalen Motoneuronen, möglicherweise durch erhöhten synaptischen Eingangs von prämotorischen Interneuronen. Damit zeigt diese Studie detailliert, wie verschiedene miteinander verbundene Elemente eines Lokomotionsnetzwerks unterschiedlich auf transienten Hitzestress reagieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Heterogeneous responses to embryonic critical period perturbations within the Drosophila larval locomotor circuit. openRxiv.
Krick, Niklas; Davies, Jacob; Coulson, Bramwell; Sobrido-Cameán, Daniel; Miller, Michael; Oswald, Matthew C. W.; Zarin, Aref A.; Baines, Richard & Landgraf, Matthias
