Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Neuronal regeneration in the olfactory system of locusts

Wasser, Hannah Margareta

Neuronal regeneration is widely studied in invertebrates. For this thesis I chose the model organism Locusta migratoria to describe neuronal regeneration of the olfactory system on a morphological and functional level. After deafferentation of the antennal nerve (AN) changes in the antennal lobe (AL) size are observed. Within 4 days post crush (dpc) ALs of adult and 5th instar locusts (L5) reach their minimum size and start to regrow afterwards. Neurobiotin labeling of the AN shows that this is due to Wallerian degeneration. Within 24 hours past deafferentation the distal part of the olfactory receptor neurons (ORN) disappear completely. The ORNs then start regenerating towards the antennal lobe where they form synapses with local interneurons and projection neurons (PN). The glomeruli in which the synapses of one ORN are located are usually arranged in a circular pattern. After regeneration this pattern is not reestablished, the ORNs seem to form synapses in random glomeruli. A weak correlation between the origin of the ORN in the antenna and the location of its synapses in the AL can be observed where the ORN from the oldest annuli appear to target mostly the 50% - 70% area of the AL neuropil. The fluorescence intensity of Fasciclin I labeling is used to quantify the timeframe of ORN regeneration in the AL of adults and 5th instars. The ALs of treated and untreated adults are visually indistinguishable after 10 dpc. For 5th instar nymphs experiments stopped after 8 dpc due to them going into final molt, but after 7 dpc ALs of treated animals already highly resemble those of untreated ones. Analysis of the immunofluorescence intensity of the lateral part of the AL shows a significant decrease to a minimum value within 2 dpc followed by an increase back to control level within 7 dpc in 5th instars. In adult locusts the immunofluorescence intensity drops to the minimal value after 4 dpc and reaches control level after 7 dpc as well. In the medial part of the AL both adults and 5th instars reach a minimum value at 4 dpc. In adults the immunofluorescence intensity increases to control level within 10 days, in 5th instar is reached within 7 dpc already. Projection neurons in the AL start responding to odor stimuli within 4-7 days post treatment. Younger adult locusts, that had their AN crushed while they were 5th instars, reach control level faster. Response types (excitatory, inhibitory, compound response) normally appear in fixed proportions which are disturbed during early regeneration but regain normal proportions within 21 dpc. First local field potentials (LFPs) can be recorded in the mushroom body (MB) after 4 days post crush, and after 7 dpc odor-induced oscillation patterns are restored. The olfactory system of locusts regenerates fast, precise, and apparently reaches a state of functionality that resembles normal conditions within 21 days post treatment. Whether the ability to identify and discriminate between different odors is fully restored remains to be proven by behavioral experiments.

Neuronale Regeneration wird bei Invertebraten umfangreich untersucht. Für diese Arbeit habe ich Locusta migratoria als Modellorganismus gewählt um die neuronale Regeneration des olfaktorischen Systems auf morphologischer und funktioneller Ebene zu beschreiben. Nach der Deafferentierung des Antennennervs (AN) werden die Größenveränderungen in den Antennalloben (AL) beobachtet. Innerhalb von 4 Tagen nach dem Quetschen (dpc: days post crush) erreichen die AL von adulten Heuschrecken und Larven aus dem 5. Larvenstadium (L5) ihre Minimalgröße und vergrößern sich danach wieder. Durch Markierung des AN mit Neurobiotin lässt sich zeigen, dass dies durch Wallersche Degeneration verursacht wird. Innerhalb von 24 Stunden nach der Deafferentierung verschwinden die distalen Bestandteile der olfaktorischen Rezeptorneurone (ORN) vollständig. Danach wachsen die ORN in Richtung AL aus und bilden dort Synapsen mit den lokalen Interneuronen und Projektionsneuronen (PN). Die zu einem ORN gehörigen Glomeruli sind für gewöhnlich kreisförmig angeordnet. Dieses Muster wird nach der Regeneration nicht wiederhergestellt, stattdessen bilden die ORN Synapsen mit zufälligen Glomeruli. Es besteht ein schwacher Zusammenhang zwischen dem Ursprungsort der ORN in der Antenne und der Position der dazugehörigen Synapsen im AL, wobei die ORN aus den ältesten Annuli hauptsächlich den 50% - 70% Bereich des AL Neuropils innervieren. Die Fluoreszenzintensität der Fasciclin I Markierung wird genutzt um im AL von adulten Tieren und L5 den zeitlichen Rahmen der Regeneration von ORN zu quantifizieren. Die AL von behandelten und unbehandelten adulten Tieren sind nach 10 dpc nicht mehr zu unterscheiden. Da die L5 nach 8 Tagen die letzte Häutung durchlaufen endeten die Experimente zu dem Zeitpunkt, jedoch sehen die AL von behandelten Tieren zu diesem Zeitpunkt den AL von nicht behandelten bereits sehr ähnlich. Die Analyse der Immunfluoreszenz im lateralen Bereich des AL zeigt bei L5 eine signifikante Verringerung mit einem Minimalwert nach 2 dpc, gefolgt von einem Anstieg zurück zum Kontrolllevel innerhalb von 7 dpc. Bei ausgewachsenen Tieren erreicht die Immunfluoreszenz ihr Minimum nach 4 dpc und das Kontrolllevel nach 7 dpc. Im medialen Bereich des AL erreicht die Immunfluoreszenz bei adulten Tieren und L5 nach 4 dpc das Minimum. Bei adulten Tieren wird das Kontrolllevel nach 10 dpc, bei L5 schon nach 7 dpc erreicht. Die PN des AL beginnen innerhalb von 4-7 dpc damit auf Duftstimuli zu reagieren. Junge adulte Heuschrecken, deren AN im L5 Stadium gequetscht wurde, erreichen das Kontrolllevel schneller. Die Antworttypen (erregende, inhibierende, zusammengesetzte Antwort) treten normalerweise in einem festgelegten Verhältnis zueinander auf. Dieses Verhältnis ist zu Beginn der Regeneration gestört, wird aber innerhalb von 21 dpc wiederhergestellt. Erste lokale Feldpotentiale (LFPs) können bereits nach 4 dpc im Pilzkörper (MB: mushroom body) gemessen werden und nach 7 dpc sind auch die duftinduzierten Oszillationen wiederhergestellt. Das olfaktorische System der Heuschrecke regeneriert schnell, präzise und erreicht innerhalb von 21 Tagen nach der Behandlung offensichtlich einen Funktionalitätsgrad der dem Normalzustand ähnelt. Ob die Fähigkeit Gerüche zu identifizieren und zu unterscheiden vollständig wiederhergestellt ist, bleibt durch Verhaltensexperimente zu beweisen.

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Wasser, H., 2020. Neuronal regeneration in the olfactory system of locusts. Hannover.
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