Neurotransmitter Systeme

Abbildung 1: Das 3-Arm Detektor Model, das beschreibt wie T4 (und T5) Zellen richtungsselektive Signale generieren, indem sie Vorzugsrichtungs-Verstärkung (Preferred-direction enhancement) und Nullrichtungs-Unterdrückung (Null-direction suppression) implementieren (Mauss et al., 2017).

T4 und T5 Neuronen sind die erste Ebene der visuellen Verarbeitungskette in Drosophila, die auf Bewegung richtungsselektiv reagieren (Maisak et al. 2013, Serbe et al., 2016). Vor kurzem wurde ein so genanntes 3-Arm Detektor Model vorgeschlagen, um zu beschreiben wie solche richtungsselektiven Antworten in T4 und T5 zustande kommen. Dieses theoretische Model basiert auf dem Vergleich von Signalen, die von benachbarten Punkten im Raum kommen. Der zentrale Arm liefert schnelle Erregung, während die zwei äußeren Arme langsame Dynamiken besitzen- ein Arm amplifiziert das zentrale Signal für Stimuli, die sich entlang der bevorzugten Richtung bewegen, der andere Arm unterdrückt das zentrale Signal für Stimuli, die sich entlang der Nullrichtung des Neurons bewegen (Haag et al., 2016; Arenz et al., 2017).

Um das theoretische Model in vivo zu testen und die verschiedenen Modelelemente spezifischen Zelltypen im Schaltkreis zuzuordnen, wurden fast alle präsynaptischen Zellen von T4 und T5 analysiert und ihre zeitlichen und räumlichen Antworteigenschaften und ihre Rolle für Richtungs-Selektivität beschrieben (Ammer et al., 2015; Serbe et al., 2016; Arenz et al., 2017). Im Gegensatz zur Vielzahl an physiologischen Studien, ist nur wenig bekannt über Neurotransmitter Phänotypen und Rezeptoren der verschiedenen Schaltkreis-Elemente. Die wichtigsten Eingangszellen von T4 sind die Medulla-Neuronen Mi9, Mi1, Tm3, Mi4, C3 und CT1 (Takemura et al., 2017). Immunohistochemische Färbungen und RNA-Sequenzierungs-Experimente zeigten, dass Mi9 glutamaterg ist, Mi1 und Tm3 sind cholinerg und Mi4, C3 und CT1 sind GABAerg (Pankova et al., 2016; Takemura et al., 2017; Davis et al., 2018; Richter et al., 2018). Die präsynaptischen Partner von T5 im OFF-Kanal- Tm1, Tm2, Tm4 und Tm9- sind cholinerg (Shinomiya et al., 2014) (s. Abbildung 2, 3).

Abbildung 2: Übersicht der Neurotransmitter Typen, die von den Haupt-Eingangszellen zu T4 und T5 verwendet werden.

Unser Wissen über Rezeptoren auf T4 und T5 Dendriten, die das Repertoire an verschiedenen Neurotransmittern empfangen, ist eher begrenzt. Zwei RNA-Sequenzierungsstudien (Pankova & Borst, 2016; Davis et al., 2018) konnten zeigen, dass T4 und T5 Rezeptor-Untereinheiten für alle Neurotransmitter-Arten, Acetylcholin, Glutamat und GABA exprimieren. Jedoch beziehen sich RNAseq. Methoden nur auf die mRNA-Level von Genen und lassen Proteinlevel und die Verteilung des Proteins entlang des Neurons außer Acht. Dennoch spielt die Organisation der Transmitterrezeptoren auf T4/T5 Dendriten für die zelluläre Implementierung unseres Models eine essentielle Rolle. Da der 3-Arm Detektor verstärkende und unterdrückende Eingänge zu T4/T5 vorsieht, ist eine asymmetrische Verteilung von erregenden und inhibitorischen Neurotransmitter Rezeptoren auf T4/T5 Dendriten erwartet.

Abbildung 3: Immunohistochemische Färbung gegen den vesikulären Transporter VGlut, die mit den Terminalen der Mi9 Neuronen überlappt. Die obere Reihe zeigt einen Überblick über den optischen Lobus (in grau: anti-brp) mit GFP-markierten Mi9 (grün) und VGlut-Verteilung (magenta). In der unteren Reihe ist eine Vergrößerung des Bereiches in der weißen Box des oberen, rechten Bildes zu sehen mit fünf Mi9 Terminalen, die mit VGlut co-lokalisieren (modifiziert nach Richter et al., 2018).

Um diese Hypothese zu erforschen, analysieren wir das Expressionsmuster und räumliche Verteilung der Rezeptoren auf T4/T5 Dendriten mit dem Ziel, den anatomischen Phänotyp mit der funktionellen Rolle der Transmitterrezeptoren in der Berechnung der Richtungs-Selektivität zu verknüpfen.

References

1.
Ammer, G., Leonhardt, A., Bahl, A., Dickson, B., J., Borst, A.
Functional Specialization of Neural Input Elements to the Drosophila ON Motion Detector
Current Biology (2015) 25, 2247-2253
DOI
2.
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
Current Biology (2017) 27, 929–944
DOI
3.
Haag, J., Arenz, A., Serbe, E., Gabbiani, F., Borst, A.
Complementary mechanisms create direction selectivity in the fly
eLife (2016) 5
DOI
4.
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
Nature (2013) 500, 212-216
DOI
5.
Pankova, K., Borst, A.
RNA-Seq Transcriptome Analysis of Direction-Selective T4/T5 Neurons in Drosophila
PLOS ONE (2016) 11(9)
DOI
6.
Pankova, K., Borst, A.
Transgenic line for the identification of cholinergic release sites in Drosophila melanogaster
Journal of Experimental Biology (2017) 220, 1405-1410
DOI
7.
Serbe, E., Meier, M., Leonhardt, A., Borst, A.
Comprehensive Characterization of the Major Presynaptic Elements to the Drosophila OFF Motion Detector
Neuron (2016) 89, 1-13
DOI
8.
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
eLife (2017) 6
DOI
9.
Davis, F.P., Nern, A., Picard, S., Reiser, M.B., Rubin, G.M., Eddy, S.R., Henry, G.L.
A genetic, genomic, and computational resource for exploring neural circuit function
bioRxiv.(2018)
10.
Richter, F., Fendl, S., Haag, J., Drews, M., S., Borst, A.
Glutamate Signaling in the Fly Visual System
iScience (2018) 7, 85-95
DOI
11.
Shinomiya, K., Karuppudurai, T., Lin, T.Y., Lu, Z., Lee, C.H., Meinertzhagen, I.A.
Candidate neural substrates for OFF edge motion detection in Drosophila
Curr. Biol. (2014) 24, 1062–1070
DOI
12.
Mauss, A., S., Vlasits, A., Borst, A., Feller, M.
Visual Circuits for Direction Selectivity
Annu. Rev. Neurosci. (2017) 40: 211-30
DOI
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