Dendriten-Entwicklung

Während ihrer Entwicklung erwerben Neurone ein vielfältiges Repertoire an strukturellen und funktionellen Eigenschaften, die es ihnen erlauben ein neuronales Netzwerk aufzubauen. Wir nutzen die T4/T5 Neuronen des visuellen Systems von Drosophila als Modell für dieses neuronale Wachstum, da sie genetisch manipuliert werden können und sowohl ihre Morphologie als auch Physiologie umfassend erforscht sind. Die Dendriten dieser T4/T5 Neurone repräsentieren die erste Ebene der Berechnung der Richtung von Bildbewegung im Fliegenauge. Während T4-Neuronen auf die Bewegung von Helligkeitszunahme reagieren, detektieren T5-Neuronen die Bewegung von Helligkeitsabnahme (Maisak et al., 2013). Diese Spezialisierung resultiert aus ihren Dendriten, die sich in verschiedenen Neuropilregionen (T4-Dendriten in der Medulla, T5-Dendriten in der Lobula) verzweigen und daher synaptischen Input von verschiedenen Neuronen erhalten. Die Dendriten der T4/T5 Neurone sind dabei auf einzelne synaptische Schichten beschränkt (Fischbach und Dittrich, 1989). Wir haben kürzlich gefunden, dass zwei Mitglieder der SOX-Familie (eine Familie von Transkriptionsfaktoren) benötigt werden, um diese spezifische Innervation der Neuropilschichten während des Wachstums von T4- und T5-Neuronen zu etablieren, eine essentielle Morphologie für ihre Funktion als Bewegungsdetektoren.

Interessanterweise können sowohl T4- als auch T5-Neuronen in vier Subtypen unterteilt werden, von denen jede auf die Bewegung in einer der vier Himmelsrichtungen reagiert (Maisak et al., 2013). Es wird angenommen, dass die funktionalen Unterschiede zwischen den T4/T5-Neuronsubtypen, welche innerhalb der T4 oder der T5 Gruppe Input von denselben Neuronen erhalten, aus einer unterschiedlichen räumlichen Organisation der Synapsen mit diesen Inputneuronen resultiert (Arenz et al., 2017; Takemura et al., 2017). Wie entstehen diese Unterschiede während der Entwicklung? Da die Orientierung der feinen Endverästelungen der T4- und T5- Dendriten mit der bevorzugten Bewegungsrichtung des Neurons übereinstimmt (Takemura et al., 2017), lautet unsere Arbeitshypothese, dass die Richtung, in der ein T4/T5-Dendrit während der Entwicklung wächst, die Anordnung seiner Synapsen und damit seine Richtungsselektivität bestimmt. Wir untersuchen welche zellulären Regeln und molekularen Mechanismen am Dendriten Wachstum und der dendritischen Orientierung der T4/T5-Subtypen beteiligt sind. Dazu stellen wir verschiedenen genetische Fliegenlinien her, die einen Zugang zu den verschiedenen T4/T5-Subtypen ermöglichen. Mit Hilfe von Zeitraffer-Mikroskopie individuell markierter T4- und T5-Dendriten während der Entwicklung können wir das Wachstum der Neuronen beobachten. Dies ermöglicht ein Charakterisieren von Wachstumsmustern und hypothetischen Regeln, um solche Muster zu erklären. Unsere Hypothesen können wir durch verschiedene Manipulationen des Zellwachstums testen. Parallel dazu sequenzieren wir die RNA der verschiedenen T4/T5-Subtypen, um molekulare Kandidaten zu finden, die ihr unterschiedliches Verhalten während der Entwicklung erklären. Für die Zukunft planen wir, diese Kandidaten durch Überexpression oder Verlust der Funktion zu testen.

Das Verständnis, wie T4/T5-Neuronen ihre strukturellen Eigenschaften während der Entwicklung erhalten, wird weiter dazu beitragen, Morphologie, Funktion und Entwicklung in einer einzelnen neuronalen Population zu verknüpfen. Auch kann es als Modell dienen, wie generell strukturelle Eigenschaften die neuronale Berechnung eines Neurons beeinflussen.

References

1.
Arenz, A., Drews, M.S., Richter, F.G., Ammer, G., and Borst, A.
The Temporal Tuning of the Drosophila Motion Detectors Is Determined by the Dynamics of Their Input Elements.
DOI
2.
Fischbach, K.-F., and Dittrich, A.P.M.
The optic lobe of Drosophila melanogaster. I. A Golgi analysis of wild-type structure.
3.
Maisak, M.S., Haag, J., Ammer, G., Serbe, E., Meier, M., Leonhardt, A., Schilling, T., Bahl, A., Rubin, G.M., Nern, A., et al.
A directional tuning map of Drosophila elementary motion detectors.
DOI
4.
Takemura, S.Y., Nern, A., Chklovskii, D.B., Scheffer, L.K., Rubin, G.M., Meinertzhagen, I.A.
The comprehensive connectome of a neural substrate for 'ON' motion detection in Drosophila
DOI
 
loading content
Zur Redakteursansicht