TY  - THES
A1  - Andlauer, Till Felix Malte
T1  - Structural and Functional Diversity of Synapses in the Drosophila CNS
T1  - Strukturelle und funktionale Diversität von Synapsen im ZNS von Drosophila
N2  - Large-scale anatomical and functional analyses of the connectivity in both invertebrate and mammalian brains have gained intense attention in recent years. At the same time, the understanding of synapses on a molecular level still lacks behind. We have only begun to unravel the basic mechanisms of how the most important synaptic proteins regulate release and reception of neurotransmitter molecules, as well as changes of synaptic strength. Furthermore, little is known regarding the stoichiometry of presynaptic proteins at different synapses within an organism. An assessment of these characteristics would certainly promote our comprehension of the properties of different synapse types. Presynaptic proteins directly influence, for example, the probability of neurotransmitter release as well as mechanisms for short-term plasticity. We have examined the strength of expression of several presynaptic proteins at different synapse types in the central nervous system of Drosophila melanogaster using immunohistochemistry. Clear differences in the relative abundances of the proteins were obvious on different levels: variations in staining intensities appeared from the neuropil to the synaptic level. In order to quantify these differences, we have developed a ratiometric analysis of antibody stainings. By application of this ratiometric method, we could assign average ratios of presynaptic proteins to different synapse populations in two central relays of the olfactory pathway. In this manner, synapse types could be characterized by distinct fingerprints of presynaptic protein ratios. Subsequently, we used the method for the analysis of aberrant situations: we reduced levels of Bruchpilot, a major presynaptic protein, and ablated different synapse or cell types. Evoked changes of ratio fingerprints were proportional to the modifications we had induced in the system. Thus, such ratio signatures are well suited for the characterization of synapses. In order to contribute to our understanding of both the molecular composition and the function of synapses, we also characterized a novel synaptic protein. This protein, Drep-2, is a member of the Dff family of regulators of apoptosis. We generated drep-2 mutants, which did not show an obvious misregulation of apoptosis. By contrast, Drep-2 was found to be a neuronal protein, highly enriched for example at postsynaptic receptor fields of the input synapses of the major learning centre of insects, the mushroom bodies. Flies mutant for drep-2 were viable but lived shorter than wildtypes. Basic synaptic transmission at both peripheral and central synapses was in normal ranges. However, drep-2 mutants showed a number of deficiencies in adaptive behaviours: adult flies were locomotor hyperactive and hypersensitive towards ethanol-induced sedation. Moreover, the mutant animals were heavily impaired in associative learning. In aversive olfactory conditioning, drep-2 mutants formed neither short-term nor anaesthesia-sensitive memories. We could demonstrate that Drep-2 is required in mushroom body intrinsic neurons for normal olfactory learning. Furthermore, odour-evoked calcium transients in these neurons, a prerequisite for learning, were reduced in drep-2 mutants. The impairment of the mutants in olfactory learning could be fully rescued by pharmacological application of an agonist to metabotropic glutamate receptors (mGluRs). Quantitative mass spectrometry of Drep-2 complexes revealed that the protein is associated with a large number of translational repressors, among them the fragile X mental retardation protein FMRP. FMRP inhibits mGluR-mediated protein synthesis. Lack of this protein causes the fragile X syndrome, which constitutes the most frequent monogenic cause of autism. Examination of the performance of drep-2 mutants in courtship conditioning showed that the animals were deficient in both short- and long-term memory. Drep-2 mutants share these phenotypes with fmrp and mGluR mutants. Interestingly, drep-2; fmrp double mutants exhibited normal memory. Thus, we propose a model in which Drep-2 antagonizes FMRP in the regulation of mGluR-dependent protein synthesis. Our hypothesis is supported by the observation that impairments in synaptic plasticity can arise if mGluR signalling is imbalanced in either direction. We suggest that Drep-2 helps in establishing this balance.
N2  - Umfangreiche anatomische und funktionelle Analysen der Konnektivität in Gehirnen von Wirbellosen und Säugern haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten. Gleichzeitig ist unser Verständnis von Synapsen auf molekularer Ebene jedoch noch unvollständig. Wir haben erst damit begonnen, die grundlegenden Mechanismen zu entschlüsseln, nach denen die wichtigsten synaptischen Proteine die Ausschüttung und Erkennung von Neurotransmittern sowie Veränderungen der Stärke von Synapsen regulieren. Darüber hinaus ist auch über die Stöchiometrie präsynaptischer Proteine an verschiedenen Synapsen noch wenig bekannt. Eine Untersuchung dieser Eigenschaften würde zum besseren Verständnis der Merkmale verschiedener Synapsentypen beitragen. Präsynaptische Proteine beeinflussen zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit der Ausschüttung von Neurotransmittern sowie Mechanismen zur Erzeugung von Kurzzeit-Plastizität. Wir haben die Expressionsstärke mehrerer präsynaptischer Proteine an verschiedenen Synapsentypen des Zentralnervensystems von Drosophila melanogaster mittels Immunhistochemie untersucht. Auf mehreren Ebenen waren deutliche Unterschiede in der relativen Anreicherung der Proteine offensichtlich: Färbungsintensitäten variierten von der Neuropilebene bis zum einzelnen Synapsentyp. Um diese Unterschiede zu quantifizieren, haben wir eine ratiometrische Analyse von Antikörperfärbungen entwickelt. Mit dieser Methode war es möglich, verschiedenen Synapsenpopulationen zweier Schaltstellen der Riechbahn durchschnittliche Ratios präsynaptischer Proteine zuzuweisen. Synapsentypen konnten durch eindeutige Fingerabdrücke präsynaptischer Proteinratios charakterisiert werden. So gelang es uns, die Auswirkungen einer Verringerung der Menge des wichtigen präsynaptischen Proteins Bruchpilot sowie der Entfernung verschiedener Synapsen- und Zelltypen zu untersuchen. Die in diesen Situationen hervorgerufenen Veränderungen der Ratio-Fingerabdrücke entsprachen den von uns im System erzeugten Abweichungen. Ratios präsynaptischer Proteine eignen sich daher gut dafür, Synapsentypen zu charakterisieren. Um unser Verständnis von sowohl der molekularen Zusammensetzung als auch der Funktion von Synapsen zu verbessern, haben wir außerdem das neue synaptische Protein Drep-2 charakterisiert. Drep-2 gehört zu den Dff-Proteinen, einer Familie von Apoptoseregulatoren. Wir haben drep-2 Mutanten erzeugt, bei denen Zelltod jedoch nicht fehlreguliert erschien. Stattdessen stellte sich Drep-2 als neuronales Protein heraus, angereichert zum Beispiel postsynaptisch an Eingangssynapsen der Pilzkörper, den Lernzentren von Insekten. Fliegen, denen das Gen drep-2 fehlte, waren lebensfähig, lebten jedoch kürzer. Die basale Übertragung an peripheren und zentralen Synapsen erschien unverändert. Die Mutanten zeigten jedoch Ausfälle in verschiedenen adaptiven Verhaltensweisen: Die Fliegen waren hyperaktiv in ihrer Bewegung sowie hypersensibel gegenüber Ethanol. Zudem zeigten die Tiere ein stark eingeschränktes assoziatives Lernvermögen. In aversivem Geruchslernen konnten die Mutanten weder Kurz- noch Mittelzeiterinnerungen bilden. Wir konnten nachweisen, dass Drep-2 für normales Geruchslernen in Pilzköper-intrinsischen Neuronen benötigt wird. Außerdem waren bei den Mutanten in diesen Neuronen durch Gerüche hervorgerufene Kalziumsignale, eine Voraussetzung für Lernen, reduziert. Die Lerneinschränkungen der Mutanten konnten durch Gabe eines pharmakologischen Agonisten metabotroper Glutamatrezeptoren (mGluR) vollständig behoben werden. Quantitative Massenspektrometrie von Drep-2-Komplexen zeigte, dass das Protein mit einer großen Anzahl von Translationsrepressoren assoziiert ist. Unter diesen befand sich das Fragile X Protein FMRP. FMRP inhibiert mGluR-vermittelte Proteinsynthese. Ein Mangel an FMRP erzeugt das Fragile X Syndrom, die häufigste monogenetische Ursache für Autismus. Bei Balzkonditionierung konnten drep-2 Mutanten weder Kurz- noch Langzeiterinnerungen speichern. Diesen Phänotyp haben sie mit fmrp- und mGluR-Mutanten gemeinsam. Drep-2; fmrp Doppelmutanten hatten jedoch ein normales Gedächtnis. Wir gehen daher davon aus, dass Drep-2 FMRP bei der Regulierung von mGluR-abhängiger Translation entgegenwirkt. Die Beobachtung, dass synaptische Plastizität gestört sein kann, wenn mGluR-Signalwege unausgewogen sind, stärkt diese Hypothese. Wir nehmen an, dass Drep-2 dazu beiträgt, von mGluR erzeugte Signale zu balancieren.
KW  - Taufliege
KW  - Neurobiologie
KW  - Zentralnervensystem
KW  - Synapse
KW  - Molekulare Marker
KW  - Aktive Zone
KW  - Lernen und Gedächtnis
KW  - Pilzkörper
KW  - Fragiles X Syndrom
KW  - Active zone
KW  - Learning and memory
KW  - Mushroom body
KW  - Conditioning
KW  - Metabotropic glutamate receptor
KW  - Neurogenetik
KW  - Drosophila
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85018
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Beck, Katherina
A1  - Ehmann, Nadine
A1  - Andlauer, Till F. M.
A1  - Ljaschenko, Dmitrij
A1  - Strecker, Katrin
A1  - Fischer, Matthias
A1  - Kittel, Robert J.
A1  - Raabe, Thomas
T1  - Loss of the Coffin-Lowry syndrome-associated gene RSK2 alters ERK activity, synaptic function and axonal transport in Drosophila motoneurons
JF  - Disease Models & Mechanisms
N2  - Plastic changes in synaptic properties are considered as fundamental for adaptive behaviors. Extracellular-signal-regulated kinase (ERK)-mediated signaling has been implicated in regulation of synaptic plasticity. Ribosomal S6 kinase 2 (RSK2) acts as a regulator and downstream effector of ERK. In the brain, RSK2 is predominantly expressed in regions required for learning and memory. Loss-of-function mutations in human RSK2 cause Coffin-Lowry syndrome, which is characterized by severe mental retardation and low IQ scores in affected males. Knockout of RSK2 in mice or the RSK ortholog in Drosophila results in a variety of learning and memory defects. However, overall brain structure in these animals is not affected, leaving open the question of the pathophysiological consequences. Using the fly neuromuscular system as a model for excitatory glutamatergic synapses, we show that removal of RSK function causes distinct defects in motoneurons and at the neuromuscular junction. Based on histochemical and electrophysiological analyses, we conclude that RSK is required for normal synaptic morphology and function. Furthermore, loss of RSK function interferes with ERK signaling at different levels. Elevated ERK activity was evident in the somata of motoneurons, whereas decreased ERK activity was observed in axons and the presynapse. In addition, we uncovered a novel function of RSK in anterograde axonal transport. Our results emphasize the importance of fine-tuning ERK activity in neuronal processes underlying higher brain functions. In this context, RSK acts as a modulator of ERK signaling.
KW  - mrsk2 KO mouse
KW  - S6KII RSK
KW  - transmission
KW  - neuromuscular junction
KW  - synapse
KW  - MAPK signaling
KW  - axonal transport
KW  - motoneuron
KW  - RSK
KW  - Drosophila
KW  - mechanisms
KW  - plasticity
KW  - protein kinase
KW  - signal transduction pathway
KW  - mitochondrial transport
KW  - glutamate receptor
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-145185
VL  - 8
ER  - 
TY  - THES
A1  - Toepfer, Franziska Helene
T1  - Component selectivity and multistability in a \(Drosophila\) orientation paradigm using incoherent motion stimuli
T1  - Komponenten-Selektivität und Multistabilität in einem Orientierungsparadigma für \(Drosophila\) unter Verwendung inkohärenter Bewegungsreize
N2  - Visual information is essential for Drosophila to navigate its environment. The visual system of the fly has been studied for many decades and has yielded many insights about vision in general. However, visual information can be ambiguous and the system processing it needs to be able to cope with that. In this study, the visual orientation behavior of Drosophila is challenged by panoramic incoherent motion stimuli to which the fly can respond in three different, equally adaptive ways. The study is conducted in a well-established setup, the so-called flight simulator (Heisenberg and Wolf, 1993), where the fly can control its visual surroundings in stationary flight with its yaw torque, which is simultaneously recorded. The fly can either use one of two incoherently moving panorama patterns or the integrated motion of both as its reference for straight flight. It is observed that flies use all three of these behavioral alternatives for orientation.  Previous models of fly motion vision do not predict a bimodal tuning to incoherent wide-field motion stimuli (Joesch et al., 2008, Borst et al., 1995), however, a recent study on blowflies could suggests that they show component selectivity to the individual moving gratings in a compound plaid stimulus (Saleem et al., 2012). Here, it can be shown that the same bimodal tuning manifests in Drosophila, although the stimuli used are different and most of the experiments are conducted in closed loop. It is found that the extent to which the Drosophila expresses this component selectivity in its orientation behavior, i.e. how often it stabilizes a single panorama pattern instead of the integrated motion of both, depends on two properties of the panorama stimuli, pattern contrast and horizontal pattern element distance. Single pattern stabilization decreases with increasing contrast and increasing pattern element distance. In the latter case, it increases again when there are very few horizontal pattern elements, although that appears to be the result of a lack of rivalry between the patterns due to the low number of pattern elements. Both increased pattern contrast and pattern element distance increase the salience of the single pattern elements. A single element in a compound visual stimulus, like a dot within a dot pattern, can be interpreted as a standalone figure or a part of a bigger unit. Previous studies on Drosophila vision have concentrated on how the fly discriminates a figure from the background (Heisenberg and Wolf, 1984, Bahl et al., 2013, Aptekar et al., 2012), but have hardly touched the question of what qualifies a figure or a background (i.e. a panorama) stimulus as such. In the present study, it is observed that, when exposed to incoherent panoramic motion stimuli, the flies prefer to orient themselves towards the average of the two motions when the panorama stimuli possess strong figure features and towards the single patterns when they do not and single pattern elements are therefore less salient. 
The above-mentioned plaid stimuli are a well-known multistable percept in human psychophysics. Multistability is a property of higher visual systems and considered an indicator of endogenous activity in vision. As Drosophila expresses behavioral multistability in the IPMP, it is evaluated in this respect. The results show several parallels to human multistable perception. For one, the frequency and duration with which a behavior occurs, can be influenced, but the occurrence of the behaviors is non-deterministic and not coupled to the stimulus. It can also be shown that the switches between behaviors do not stem from a rivalry of the two visual hemispheres of the fly, although monocularity does also influence the likelihood with which the behaviors occur. Secondly, like in human perceptual rivalry, individual flies exhibit strong idiosyncrasies regarding the overall durations they spend with the different behaviors and the frequencies with which they switch between them. Finally, the distribution of the durations between the behavioral switches can be fit to the same function as the distribution of percept durations in human multistable perception, the gamma function, although it has a different shape and therefore also differing parameters. The Drosophila mutant radish, which has been shown to have attention-like deficits (van Swinderen and Brembs, 2010, Koenig et al., 2016a), does also express an altered behavior in the IPMP compared to wildtype flies. As these behavioral alterations resemble effects on multistable perception found in humans suffering from ADHD (Amador-Campos et al., 2015) and perceptual multistability is generally considered to be closely related to attention (Leopold and Logothetis, 1999), attentional processes are also very likely to play a role in the flies’ behavior in the IPMP.
In conclusion, the visual system of Drosophila is capable disentangle incoherent motion stimuli even if they overlap and cover the entire visual field, i.e. it shows component selectivity of wide-field motion. Whether it uses a single wide-field motion component or the average of two as its reference for straight flight depends on pattern contrast and horizontal pattern element density, which indicates an involvement of a figure-background rivalry. This rivalry and the one between the two wide-field motion components elicit a multistability in the orientation behavior of the fly the temporal dynamics of which partially resemble the temporal dynamics of human multistable perception and which also suggests the involvement of attentional processes.
N2  - Visuelle Information ist von wesentlicher Bedeutung für Drosophila um sich in ihrer Umgebung zurecht zu finden. Das visuelle System der Fliege wird seit vielen Jahrzehnten untersucht und hat wichtige Erkenntnisse über Sehen im Allgemeinen hervorgebracht. Visuelle Information kann mehrdeutig sein und das System, das sie verarbeitet muss in der Lage sein damit umzugehen. In dieser Arbeit wird das visuelle Orientierungsverhalten von Drosophila durch inkohärente Großfeldbewegungen herausgefordert, auf die die Fliege auf drei verschiedene, gleich plausible Weisen reagieren kann. Die Studie wird in einem etablierten Versuchsaufbau durchgeführt, dem sogenannten Flugsimulator (Heisenberg and Wolf, 1993), in dem die Fliege im stationären Flug ihren visuellen Input  mit ihrem Drehmoment kontrollieren kann. Die Fliege kann entweder eines von zwei sich inkohärent bewegenden Panoramamustern oder deren integrierte Gesamtbewegung als Referenz für ihren Geradeausflug nutzen. Es wird beobachtet, dass die Fliegen alle drei dieser Verhaltens-Alternativen zur Orientierung benutzen. Bisherige Modelle des Bewegungssehens der Fliege sagen keine bimodale Reaktion auf inkohärente Bewegungsreize vorher (Borst et al., 1995, Joesch et al., 2008), allerdings konnte kürzlich eine Studie an Calliphora zeigen, dass diese Komponenten-Selektivität bezüglich der einzelnen Bewegungen der Streifenmuster eines daraus zusammengesetzten Karomusters zeigen (Saleem et al., 2012). Hier kann gezeigt werden, dass diese bimodale Reaktion auch in Drosophila der Fall ist, obwohl die visuellen Stimuli unterschiedlich sind und die meisten Experimente im geschlossenen Regelkreis durchgeführt werden. Des weiteren zeigt sich, dass der Umfang in dem Drosophila diese Komponentenselektivität in ihrem Orientierungsverhalten zeigt, d.h. wie häufig sie ein einzelnes Panoramamuster statt der integrierten Bewegung von beiden stabilisiert, von zwei Eigenschaften des Musters, dem Musterkontrast und dem horizontalen Abstand der einzelnen Musterelemente, abhängt. Die Einzelmusterstabilisierung nimmt mit steigendem Kontrast und steigendem Musterelementabstand ab. Bei letzterem steigt sie wieder, wenn die Anzahl der horizontalen Musterelemente sehr gering ist, allerdings scheint dies das Ergebnis von fehlender Konkurrenz zwischen den Mustern aufgrund der niedrigen Anzahl der Musterelemente zu sein. Sowohl gesteigerter Kontrast und Musterelementabstand steigern das Hervorstechen der einzelnen Musterelemente. Ein einzelnes Element in einem zusammengesetzen visuellen Stimulus, wie ein Punkt in einem Punktemuster, kann sowohl als alleinstehendes Objekt als auch als Teil einer größeren Einheit interpretiert werden. Bisherige Studien am visuellen System von Drosophila haben sich darauf konzentriert, wie die Fliege ein Objekt vom Hintergrund unterscheidet (Aptekar et al., 2012, Bahl et al., 2013, Heisenberg and Wolf, 1984), aber kaum behandelt, was ein Objekt oder einen Hintergrund als solchen definiert. In dieser Studie wird beobachtet, dass die Fliege, wenn sie mit zwei sich inkohärent bewegenden Panoramastimuli konfrontiert wird, es bevorzugt sich am Mittelwert der beiden Bewegungen zu orientieren, wenn diese starke Objekteigenschaften aufweisen und an den Einzelmustern, wenn sie dies nicht der Fall ist und die einzelnen Musterelement daher weniger stark hervorstehen. 
Die erwähnten Karomusterreize sind ein bekanntes Beispiel multistabiler Wahrnehmung der Humanpsychophysik. Multistabilität ist eine Eigenschaft höherer visueller Systeme und ein Indikator von endogener Aktivität. Da Drosophila Multistabilität in ihrem Verhalten im IPMP aufweist, wird es diesbezüglich ausgewertet.  Die Ergebnisse zeigen mehrere Parallelen zur menschlichen multistabilen Wahrnehmung. Zum einen kann die Häufigkeit und die Dauer mit der ein Verhalten auftritt, beeinflusst werden, aber das Auftreten der Verhaltensweisen ist nicht deterministisch und nicht an den Stimulus gekoppelt. Es kann auch gezeigt werden, dass die Wechsel zwischen den Verhaltensweisen nicht von einer Rivalität zwischen den beiden visuellen Hemisphären der Fliege herrühren, obwohl Monokularität die Wahrscheinlichkeit mit der die Verhaltensweisen auftreten, beeinflusst. Zweitens weisen die einzelnen Fliegen, wie auch Menschen in multistabilen Wahrnehmungsparadigmen, starke Idiosynkrasien bezüglich der Gesamtdauer, die sie mit einem Verhalten verbringen und der Häufigkeit mit der sie zwischen diesen hin und her wechseln, auf. Schließlich folgt die Verteilung der Zeitspannen zwischen den Wechseln zwischen den Verhaltensweisen der gleichen Funktion wie die Verteilung der Wahrnehmungsdauern in der menschlichen multistabilen Wahrnehmung, der Gamma-Funktion, obwohl sie eine unterschiedliche Form hat und daher auch andere Parameter. Die Drosophila-Mutante radish, von der gezeigt werden konnte, dass sie aufmerksamkeits-ähnliche Defizite hat (van Swinderen and Brembs, 2010, Koenig et al., 2016a), zeigt im Vergleich mit wildtypischen Fliegen auch im IPMP ein verändertes Verhalten. Da diese Veränderungen Effekten auf multistabile Wahrnehmung ähneln, die bei ADHS-Patienten gefunden wurden (Amador-Campos et al., 2015) und multistabile Wahrnehmung im Allgemeinen als nahe verwandt mit Aufmerksamkeit angesehen wird (Leopold and Logothetis, 1999), spielen Aufmerksamkeitsprozesse sehr wahrscheinlich auch eine Rolle im Verhalten der Fliege im IPMP.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das visuelle System von Drosophila in der Lage ist inkohärente Bewegungsreize sogar dann zu trennen wenn diese vollständig überlappen und das gesamte Sehfeld umfassen, d.h. es weist Komponentenselektivität von Großfeldbewegungen auf. Ob sie eine einzele Großfeldbewegungskomponente oder den Mittelwert von Zweien als Referenz für Geradeausflug nutzt, hängt von Kontrast und Dichte der horizontalen Musterelemente ab, was eine Beteiligung einer Objekt-Hintergrund-Rivalität impliziert. Diese Rivalität und diejenige zwischen den beiden Großfeldbewegungskomponenten lösen eine Multistabilität im Orientierungsverhalten der Fliege aus, deren zeitliche Dynamik teilweise der der menschlichen multistabilen Wahrnehmung entspricht und die die Beteiligung von Aufmerksamkeitsprozessen wahrscheinlich macht.
KW  - Drosophila
KW  - Invertebrate vision
KW  - Transparent motion
KW  - Component selectivity
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-153346
ER  -