TY  - THES
A1  - Schmid, Benjamin
T1  - Computational tools for the segmentation and registration of confocal brain images of Drosophila melanogaster
T1  - Software Tools für die Segmentierung und Registrierung konfokaler Gehirnbilder von Drosophila melanogaster
N2  - Neuroanatomical data in fly brain research are mostly available as spatial gene expression patterns of genetically distinct fly strains. The Drosophila standard brain, which was developed in the past to provide a reference coordinate system, can be used to integrate these data. Working with the standard brain requires advanced image processing methods, including visualisation, segmentation and registration. The previously published VIB Protocol addressed the problem of image registration. Unfortunately, its usage was severely limited by the necessity of manually labelling a predefined set of neuropils in the brain images at hand. In this work I present novel tools to facilitate the work with the Drosophila standard brain. These tools are integrated in a well-known open-source image processing framework which can potentially serve as a common platform for image analysis in the neuroanatomical research community: ImageJ. In particular, a hardware-accelerated 3D visualisation framework was developed for ImageJ which extends its limited 3D visualisation capabilities. It is used for the development of a novel semi-automatic segmentation method, which implements automatic surface growing based on user-provided seed points. Template surfaces, incorporated with a modified variant of an active surface model, complement the segmentation. An automatic nonrigid warping algorithm is applied, based on point correspondences established through the extracted surfaces. Finally, I show how the individual steps can be fully automated, and demonstrate its application for the successful registration of fly brain images. The new tools are freely available as ImageJ plugins. I compare the results obtained by the introduced methods with the output of the VIB Protocol and conclude that our methods reduce the required effort five to ten fold. Furthermore, reproducibility and accuracy are enhanced using the proposed tools.
N2  - Expressionsmuster genetisch manipulierter Fliegenstämme machen den Großteil neuroanatomischer Daten aus, wie sie in der Gehirnforschung der Taufliege Drosophila melanogaster entstehen. Das Drosophila Standardgehirn wurde u.a. entwickelt, um die Integration dieser Daten in ein einheitliches Referenz-Koordinatensystem zu ermöglichen. Die Arbeit mit dem Standardgehirn erfordert hochentwickelte Bildverarbeitungsmethoden, u.a. zur 3D Visualisierung, Segmentierung und Registrierung. Das bereits publizierte "VIB Protocol" stellte bisher eine Möglichkeit für die Registrierung zur Verfügung, die aber duch die Notwendigkeit manueller Segmentierung bestimmter Neuropile nur eingeschränkt verwendbar war. In der vorliegenden Arbeit stelle ich neue Werkzeuge vor, die den Umgang mit dem Standardgehirn erleichtern. Sie sind in ein bekanntes, offenes Bildverarbeitungsprogramm integriert, das potentiell als Standardsoftware in der neuroanatomischen Forschung dienen kann: ImageJ. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine hardwarebeschleunigte 3D Visualisierungs-Bibliothek entwickelt, die die Visualisierungsmöglichkeiten von ImageJ ergänzt. Auf Basis dieser Entwicklung wurde anschließend ein neuer halbautomatischer Segmentierungs-Algorithmus erstellt. In diesem Algorithmus werden Neuropil-Oberflächen, ausgehend von ausgewählten Ausgangspunkten, aufgebaut und erweitert. Vorlagen von Neuropil-Oberflächen aus der Segmentierung eines Referenz-Datensatzes, die anhand eines modifizierten "Active Surface" Modells einbezogen werden können, ergänzen die aktuelle Segmentierung. Die so erhaltenen Oberflächen ermöglichen es, korrespondierende Landmarken in den Bildern zu ermitteln, die für eine nicht-rigide Registrierung verwendet werden. Schließlich wird dargelegt, wie die einzelnen Schritte voll automatisiert werden können, um die Bilder der Fliegengehirne aufeinander abzubilden. Die vorgestellten Methoden sind frei als Erweiterungen für ImageJ verfügbar (Plugins). Ein direkter Vergleich mit dem VIB Protokoll zeigt, dass durch die vorgestellten Methoden nicht nur der Benutzeraufwand auf ein Sechstel reduziert, sondern dass gleichzeitig auch die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erhöht wird.
KW  - Taufliege
KW  - Segmentierung
KW  - Bildverarbeitung
KW  - Gehirn
KW  - Drosophila
KW  - Gehirnanatomie
KW  - Konfokalmikroskopie
KW  - Deformable models
KW  - Drosophila
KW  - brain anatomy
KW  - confocal microscopy
KW  - deformable models
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51490
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nuwal, Tulip
T1  - Characterization of Synapsin, Tubulin-Binding Chaperone E-like, And Their Putative Interactions With Synapse Associated Protein Of 47 kDa In Drosophila melanogaster
N2  - In this thesis we have used Drosophila melanogaster as a model organism to investigate proteins and their putative interacting partners that are directly or indirectly involved in the release of neurotransmitters at the synapse. We have used molecular techniques to investigate conserved synaptic proteins, synapsin and synapse associated protein of 47 kD (SAP47), and a putative interaction partner of SAP47, tubulin binding chaperone E-like (TBCEL). SAP47 and synapsins are highly conserved synaptic vesicle associated proteins in Drosophila melanogaster. To further investigate the role and function of Sap47 and Syn genes, we had earlier generated the null mutants by P-element mutagenesis (Funk et al., 2004; Godenschwege et al., 2004). Western blots and ELISA of brain homogenates from Sap47156 null mutants showed the presence of up-regulated phospho-synapsin in comparison to wild-type (CS) and the presence of up-regulated phospho-synapsin was partially abolished when a pan-neuronal rescue of SAP47 was performed by the Gal4- UAS technique. Thus, the results suggest a qualitative and quantitative modulation of synapsin by SAP47. At the transcript level, we did not observe any difference in content of Syn transcript in Sap47156 and wild-type CS flies. The question of a direct molecular interaction between SAP47 and synapsin was investigated by co-immunoprecipitation (Co-IP) experiments and we did not find any stable interactions under the several IP conditions we tested. The possibility of Sap47 as a modifier of Syn at the genetic level was investigated by generating and testing homozygous double null mutants of Sap47 and Syn. The Syn97, Sap47156 double mutants are viable but have a reduced life span and decreased locomotion when compared to CS. In 2D-PAGE analysis of synapsins we identified trains of spots corresponding to synapsins, suggesting that synapsin has several isoforms and each one of them is posttranslationally modified. In an analysis by Blue native-SDS-PAGE (BN-SDS-2D- PAGE) and Western blot we observed synapsin and SAP47 signals to be present at 700-900 kDa and 200-250 kDa, respectively, suggesting that they are part of large but different complexes. We also report the possibility of Drosophila synapsin forming homo- and heteromultimers, which has also been reported for synapsins of vertebrates. In parallel to the above experiments, phosphorylation of synapsins in Drosophila was studied by IP techniques followed by 1D-SDS gel electrophoresis and mass spectrometry (in collaboration with S. Heo and G. Lubec). We identified and verified 5 unique phosphorylation sites in Drosophila synapsin from our MS analysis. Apart from phosphorylation modifications we identified several other PTMs which have not been verified. The significance of these phosphorylations and other identified PTMs needs to be investigated further and their implications for synapsin function and Drosophila behavior has to be elucidated by further experiments. In a collaborative project with S. Kneitz and N. Nuwal, we investigated the effects of Sap156 and Syn97 mutations by performing a whole Drosophila transcriptome microarray analysis of the individual null mutants and the double mutants (V2 and V3). We obtained several candidates which were significantly altered in the mutants. These genes need to be investigated further to elucidate their interactions with Sap47 and Syn. In another project, we investigated the role and function of Drosophila tubulin- binding chaperone E-like (Tbcel, CG12214). The TBCEL protein has high homology to vertebrate TBCE-like (or E-like) which has high sequence similarity to tubulin-binding chaperone E (TBCE) (hence the name TBCE-Like). We generated an anti-TBCEL polyclonal antiserum (in collaboration with G. Krohne). According to flybase, the Tbcel gene has only one exon and codes for two different transcripts by alternative transcription start sites. The longer transcript RB is present only in males whereas the shorter transcript RA is present only in females. In order to study the gene function we performed P- element jump-out mutagenesis to generate deletion mutants. We used the NP4786 (NP) stock which has a P(GawB) insertion in the 5’ UTR of the Tbcel gene. NP4786 flies are homozygous lethal due to a second-site lethality as the flies are viable over a deficiency (Df) chromosome (a deletion of genomic region spanning the Tbcel gene and other upstream and downstream genes). We performed the P-element mutagenesis twice. In the first trial we obtained only revertants and the second experiment is still in progress. In the second attempt, jump-out was performed over the deficiency chromosome to prevent homologous chromosome mediated double stranded DNA repair. During the second mutagenesis an insertion stock G18151 became available. These flies had a P-element insertion in the open reading frame (ORF) of the Tbcel gene but was homozygous viable. Western blots of fresh tissue homogenates of NP/Df and G18151 flies probed with anti-TBCEL antiserum showed no TBCEL signal, suggesting that these flies are Tbcel null mutants. We used these flies for further immunohistochemical analyses and found that TBCEL is specifically expressed in the cytoplasm of cyst cells of the testes and is associated with the tubulin of spermatid tails in wild-type CS, whereas in NP/Df and G18151 flies the TBCEL staining in the cyst cells was absent and there was a disruption of actin investment cones. We also found enrichment of TBCEL staining around the actin investment cone. These results are also supported by the observation that the enhancer trap expression of the NP4786 line is localised to the cyst cells, similar to TBCEL expression. Also, male fertility of NP/Df and G18151 flies was tested and they were found to be sterile with few escapers. Thus, these results suggest that TBCEL is involved in Drosophila spermatogenesis with a possible role in the spermatid elongation and individualisation process.
N2  - In dieser Arbeit benutzte ich Drosophila melanogaster als Modellorganismus für die Untersuchung von Proteinen und ihren möglichen Interaktionspartnern, die direkt oder indirekt an der Freisetzung von Neurotransmittern an der Synapse beteiligt sind. Für die Untersuchung der konservierten synaptischen Proteine Synapsin (SYN) und Synapsen-assoziertes Protein von 47 kDa (SAP47), sowie ihrer möglichen Interaktionspartner, bediente ich mich molekularer Methoden. SAP47 und SYN sind hoch konservierte Proteine von Drosophila melanogaster, die mit synaptischen Vesikeln assoziert sind. Um die Rolle und Funktion der Sap47- und Syn-Gene näher zu beleuchten, wurden bereits früher mit Hilfe von P-Element Mutagenesen Null Mutanten generiert (Funk et al., 2004; Godenschwege et al., 2004). Western Blots und ELISA der Gehirnhomogenate der Sap47156 Nullmutanten zeigten im Vergleich zum Wildtyp (CS) das Vorhandensein von hochreguliertem phospho-Synapsin. Dieser Effekt ließ sich durch ein panneuronales Rescue wieder partiell rückgängig machen. Diese Ergebnisse lassen eine qualitative sowie quantitative Modulation von SYN druch SAP47 vermuten. Auf der Transkriptebene konnte ich keinen Unterschied im Gehalt von Syn Transkript zwischen den Sap47156 und wildtypischen CS Fliegen feststellen. Das Vorhandensein einer direkten molekularen Interaktion zwischen SAP47 und SYN wurde in Co-Immunopräzipitations-Experimenten (CO-IP) untersucht. Ich konnte unter diversen getesteten IP Bedingungen keine stabilen Interaktionen finden. Die Möglichkeit, dass Sap47 auf der molekularen Ebene modifizierend auf das Syn-Gen wirkt, wurde durch das Erzeugen und Testen homozygoter doppelter Nullmutanten für Sap47 und Syn untersucht. Syn97, Sap47156 Doppelmutanten sind lebensfähig, zeigen jedoch eine im Vergleich zu CS reduzierte Lebensspanne und Lokomotion. In einer 2D-SDS-PAGE Analyse der Synapsine identifizierte ich Reihen von Synapsin-Signalen, die darauf schließen ließen, dass Synapsin über mehrere Isoformen verfügt, von denen jede mehrfach posttranslational modifiziert ist. In einer Blue native-SDS-PAGE (BN-SDS-2D-PAGE) mit anschließendem Western Blot konnte ich Synapsin und SAP47 Signale bei 700-900 kDa beziehungsweise 200-250 kDa feststellen, was darauf schließen ließ, dass sie als Komponenten von unterschiedlichen größeren Komplexen fungieren. Ich zeigte außerdem die Möglichkeit auf, dass Drosophila Synapsin Homo- und Heteromultimere bilden kann, was bereits für Synapsine von Wirbeltieren gezeigt wurde. Gleichzeitig mit den obigen Experimenten untersuchte ich durch IP Methoden, gefolgt von 1D SDS Gelelektrophorese und Massenspektroskopie (in Zusammenarbeit mit S. Heo und G. Lubec), die Phosphorylierung der Synapsine in Drosophila. In der MS Analyse konnte ich 5 distinkte Phosphorylierungs-Stellen des Drosophila Synapsins identifizieren und verifizieren. Zusätzlich zu den Modifikationen durch Phosphorylierung konnte ich einige andere posttranslationale Modifikationen zeigen, die jedoch nicht verifiziert wurden. Die Bedeutung dieser Phosphorylierung, sowie anderer identifizierter Modifikationen, sollte durch weitere Experimente beleuchtet werden. In einem Kollaborationsprojekt mit S. Kneitz und N. Nuwal untersuchte ich die Auswirkungen der Sap47156 und Syn97 Mutationen mithilfe einer Microarray Analyse des gesamten Drosophila Transkriptoms der individuellen Nullmutanten sowie Doppelmutanten (V2 und V3). Es wurden einige Kandidaten gefunden, die in den Mutanten signifikante Änderungen aufweisen. Diese Gene sollten weiterhin auf ihre Interaktionen mit Sap47 und Syn untersucht werden. In einem weiteren Projekt untersuchte ich die Rolle und Funktion des Drosophila tubulin binding chaperon E-like-Gens(Tbcel, CG12214). Das TBCEL Protein weist eine hohe Homologie zum Vertebraten TBCE-like (oder E-like) auf, welches über eine namensgebende hohe Sequenzähnlichkeit zum Tubulin bindenden Chaperon E (TBCE) verfügt. Ich erzeugte ein polyklonales anti-TBCEL Antiserum (in Kollaboration mit G. Krohne). Laut Flybase besitzt das Tbcel-Gen nur ein Exon und kodiert für zwei unterschiedliche Transkripte durch alternative Orte des Transkriptionsstarts. Das längere Traskript RB ist nur in Männchen vorhanden, während das kürzere Transkript RA sich nur in Weibchen finden lässt. Um eine Untersuchung der Genfunktion zu ermöglichen, führte ich eine P-Element jump-out-Mutagenese durch, mit der Deletions-Mutanten generiert werden sollten. Ich benutzte dazu den Stamm NP4786 (NP), welches eine P(GawB) Insertion in der 5´ UTR des Tbcel-Gens aufweist. NP4786 Fliegen sind aufgrund einer second-site Lethalität homozygot letal, da sie über einer chromosomalen Defizienz (Df) (einer Deletion der genomischen Region, die das Tbcel-Gen sowie benachbarte Gene umfasst) lebensfähig sind. Die P-Element jump-out-Mutagenese wurde von mir zweimal durchgeführt, wobei ich beim ersten Mal nur Revertanten erhielt, während der zweite Durchgang sich momentan noch in Arbeit befindet. Beim zweiten Versuch wurde der jump-out über dem Defizienz-Chromosom durchgeführt, um eine doppelsträngige DNA Reparatur durch das homologe Chromosom zu verhindern. Während der zweiten Mutagenese wurde ein Stamm G18151 verfügbar, bei welchem die P-Element Insertion im offenen Leseraster (Open reading frame: ORF) des Tbcel-Gens erfolgt war. Western Blots von frischem Gewebehomogenat der NP/Df und G18151 Fliegen zeigten nach dem Testen mit anti-TBCEL Antiserum kein Signal, was darauf schließen lässt, dass diese Fliegen Tbcel Nullmutanten sind. Ich verwendete diese Fliegen für weitere immunhistochemische Analysen und fand heraus, dass TBCEL im Wildtyp spezifisch im Zytoplasma der Cysten-Zellen der Hoden exprimiert wird, sowie mit dem Tubulin der Spermatidenschwänze assoziert ist, während es in den NP/Df und G18151 Fliegen keine TBCEL-Färbung der Cysten-Zellen gab. Des weiteren konnte eine Störung der Actin Kegel und eine Anreicherung von TBCEL um diese herum gezeigt werden. Diese Ergebnisse werden zusätzlich durch die Beobachtung unterstützt, dass die Enhancer-trap Expression der NP4786 Linie analog zu dem TBCEL in den Cysten-Zellen lokalisiert ist. Zusätzlich wurde die Fertilität der NP/Df und G18151 Männchen getestet und gezeigt, dass diese Tiere nahezu vollständig steril sind. Die Ergebnisse lassen daher vermuten, dass TBCEL an der Spermatogenese bei Drosophila beteiligt ist, sowie eine mögliche Rolle bei der Elongation und Individualisierung der Spermatiden spielt.
KW  - Taufliege
KW  - Synapsine
KW  - Molekularbiologie
KW  - synaptisch protein
KW  - synapsin
KW  - tubulin binding chaperone E-like
KW  - SAP47
KW  - Massenspektrometrie
KW  - synaptic proteins
KW  - synapsin
KW  - tubulin binding chaperone E-like
KW  - SAP47
KW  - mass spectrometry
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51683
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nuwal, Nidhi
T1  - Optogenetic investigation of nervous system functions using walking behavior and genome wide transcript analysis of Synapsin and Sap47 mutants of Drosophila
N2  - PART I Animals need to constantly evaluate their external environment in order to survive. In some cases the internal state of the animal changes to cope with it’s surrounding. In our study we wanted to investigate the role of amines in modulating internal states of Drosophila. We have designed a behavioral paradigm where the flies are fixed in space but can walk on a small styrofoam ball suspended by a gentle stream of air. The walking activity of flies was used as behavioral readout. PART I Animals need to constantly evaluate their external environment in order to survive. In some cases the internal state of the animal changes to cope with it’s surrounding. In our study we wanted to investigate the role of amines in modulating internal states of Drosophila. We have designed a behavioral paradigm where the flies are fixed in space but can walk on a small styrofoam ball suspended by a gentle stream of air. The walking activity of flies was used as behavioral readout. An operant training paradigm was established by coupling one of the walking directions to incidence of heat punishment. We observed that animals quickly realized the contingency of punishment with walking direction and avoided walking in the punished direction in the presence of punishment, but did not continue walking in the unpunished direction in the absence of the punishment. This would indicate that the flies do not form a memory for the punished direction or rapidly erase it under new conditions. On having established the paradigm with heat punishment we have attempted to activate selected subsets of neuronal populations of Drosophila while they were walking on the ball. The selective activation of neurons was achieved by expressing the light-activated ion channel channelrhodopsin-2 (ChR2) using the Gal4-UAS system and coupling the unidirectional walking of the animals on the ball with the incidence of blue light required to activate the channels and depolarize the neurons. The feasibility of this approach was tested by light-activating sugar sensitive gustatory receptor neurons expressing ChR2, we found that when the light was actuated the flies preferred to turn in one direction the optically “rewarded” direction. Next we similarly activated different subsets of aminergic neurons. We observed that in our setup animals avoided to turn in the direction which was coupled to activation of dopaminergic neurons indicating that release of dopamine is disliked by the animals. This is in accordance with associative learning experiments where dopamine is believed to underlie the formation of an association between a neutral conditioned stimulus with the aversive unconditioned stimulus. However, when we activated tyraminergic/octopaminergic neurons we did not observe any directional preference. The activation of dopaminergic and tyraminergic/octopaminergic neurons led to arousal of the animals indicating that we were indeed successful in activating those neurons. Also, the activation of serotonergic neurons did not have any effect on directional preference of the animals. With this newly established paradigm it will be interesting to find out if in insects like in mammals a reward mediating system exists and to test subsets of aminergic or peptidergic neurons that could possibly be involved in a reward signaling system which has not been detected in our study. Also, it would be interesting to localize neuropile regions that would be involved in mediating choice behavior in our paradigm. PART II In collaboration with S. Kneitz (IZKF Wuerzburg) and T. Nuwal we performed genome-wide expression analysis of two pre-synaptic mutants - Synapsin (Syn97) and Synapse associated protein of 47 kDa (Sap47156). The rationale behind these experiments was to identify genes that were up- or down-regulated due to these mutations. The microarray experiments provided us with several candidate genes some of which we have verified by qPCR. From our qPCR analysis we can conclude that out of the verified genes only Cirl transcripts seem to be reproducibly down regulated in Synapsin mutants. The Cirl gene codes for a calcium independent receptor for latrotoxin. Further qPCR experiments need to be performed to verify other candidate genes. The molecular interactions between CIRL and SYN or their genes should now be investigated in detail.
N2  - Teil I Lebewesen müssen beständig ihre äußere Umgebung auswerten, um überleben zu können. Manchmal ändern sich innere Zustände der Tiere, damit sie sich der Außenwelt anpassen. In unseren Untersuchungen wollten wir die Rolle von Aminen untersuchen, die für die Modulation von inneren Zuständen bei Drosophila notwendig sind. Wir haben ein Verhaltensparadigma entwickelt, bei dem die Fliege räumlich fixiert ist, aber auf einem Styroporball laufen kann, der auf einem Luftpolster schwebt. Die Laufaktivität der Fliege wird durch die Ballbewegungen anzeigt. Mit diesem Versuchsaufbau wurde ein operantes Lernparadigma etabliert, bei dem eine Laufrichtung mit Bestrafung durch Hitze gekoppelt wird. Wir konnten feststellen, dass die Tiere schnell den Zusammenhang zwischen dem Auftreten der Bestrafung und der Laufrichtung realisieren und die bestrafte Seite vermeiden. Wurde die eine Laufrichtung nicht mehr bestraft, so vermieden die Fliegen sie nicht mehr. Dies zeigt dass die Fliegen kein Gedächtnis für die bestrafte Richtung ausbilden oder es bei veränderten Bedingungen rasch löschen . Nachdem sich der Versuchsaufbau mit Hitzebestrafung bewährt hatte, wurde versucht, bestimmte Sub-population von Neuronen von Drosophila zu aktivieren, während die Fliege auf dem Ball läuft. Die selektive Aktivierung von Neuronen wurde durch die Expression des lichtaktivierten Jonenkanals Channelrhodopsin-2 (ChR-2) mit Hilfe des Gal4-UAS-System und Beleuchtung der Fliege mit Blaulicht erreicht, das die Kanäle aktiviert. Nun erfolgte eine Kopplung einer Laufrichtung auf dem Ball mit dem Auftreten von blauem Licht. Die Durchführbarkeit derartiger Experimente wurde durch die Aktivierung von zuckersensitiven gustatorischen Rezeptorneuronen getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Tiere bevorzugt die Richtung wählen, welche die Zuckerrezeptorneurone aktiviert. Anschließend aktivierten wir verschiedene Untergruppen von Neuronen des aminergen Systems. In diesem Versuchsaufbau beobachteten wir, dass die Tiere die Laufrichtung vermieden, die gekoppelt war mit der Aktivierung dopaminerger Neurone. Diese Ergebnisse stehen in Übereinstimmung mit Versuchen zum assoziativen Lernen, bei dem Dopamin wahrscheinlich notwendig ist für die Assoziation zwischen dem neutralen Konditionierungsstimulus und dem aversiven unkonditionierten Stimulus. Wenn wir jedoch die tyraminergen/oktopaminergen Neurone aktivierten, konnte keine gerichtete Präferenz nachgewiesen werden. Die Aktivierung dopaminerger und tyraminger/oktopaminerger Neurone führte jedoch zur Aktivitätssteigerung der Tiere, wodurch die erfolgreiche der Aktivierung der Neurone belegt wurde. Die Aktivierung serotonerger Neurone führte ebenfalls zu keinem Effekt in der Präferenz der Tiere. In zukünftigen Experimenten mit dem neu entwickelten Paradigma wäre es interessant, herauszufinden, ob in Insekten auch ein belohnungsabhängiges System existiert, vergleichbar dem von Säugern. So wäre die Identifizierung von Subpopulationen aminerger oder peptiderger Neurone des Belohnungssystems bei Insekten wichtig, da dies nicht in unseren Experimenten entdeckt wurde. Eine weitere interessante Fragestellung wäre, welche Gehirnstruktur die Richtungswahl auf dem Ball vermittelt. Teil II In Zussamenarbeit mit S. Kneitz (IZKF, Würzburg) und T. Nuwal wurde in der vorliegenden Arbeit die genomweite Genexpression einer Synapsin-Mutante (Syn97) und einer Mutante für das Synapsen-assoziierte-Protein von 47kDa (Sap47156) untersucht. Bei beiden Proteinen handelt es sich um präsynaptische Proteine von Drosophila. Ziel dieses Experiments war es, Gene zu identifizieren die aufgrund dieser Mutationen hoch bzw. herunterreguliert vorliegen. Durch das Microarray-Experiment wurden mehrere Kandidatengene entdeckt, wovon einige dieser Gene per qPCR-Versuchen verifiziert wurden. Aufgrund der qPCR-Analysen lässt sich schlussfolgern, dass nur das Cirl-Transkript in den Synapsin-Mutanten reproduzierbar herunterreguliert vorliegt. Das Cirl gene kodiert für einen Calcium independent receptor for Latrotoxin Weitere qPCR-Experimente sind notwendig, um die anderen Kandidatengene zu bestätigen. Die molekularen Interaktionen zwichen CIRL und Synapsin oder ihren Genen müssen nun im Detail untersucht werden.
KW  - Taufliege
KW  - Nervensystem
KW  - Amine
KW  - Synapsine
KW  - Optogenetik
KW  - Oktopamin
KW  - Dopamin
KW  - Channelrhodopsin
KW  - Synapsin
KW  - Sap47
KW  - Cirl
KW  - Optogenetic
KW  - Channelrhodopsin
KW  - Dopamine
KW  - Octopamine
KW  - Synapsin
KW  - Sap47
KW  - Cirl
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51694
ER  - 
TY  - THES
A1  - Niewalda, Thomas
T1  - Neurogenetic analyses of pain-relief learning in the fruit fly
T1  - Neurogenetische Analyse von pain-relief Lernen in der Fruchtfliege
N2  - All animals learn in order to cope with challenges imposed on them by their environment. This is true also for both larval and adult fruit flies as exemplified in pavlovian conditioning. The focus of this Thesis is on various aspects of the fruit flies learning ability. My main project deals with two types of learning which we call punishment-learning and pain-relief learning. Punishment learning happens when fruit flies are exposed to an odour which is followed by electric shock. After such training, flies have learned that that odour signals pain and consequently will avoid it in the future. If the sequence of the two stimuli is reversed such that odour follows shock, flies learn the odour as a signal for relief and will later on approach it. I first report a series of experiments investigating qualitative and parametric features of relief-learning; I find that (i) relief learning does result from true associative conditioning, (ii) it requires a relatively high number of training trials, (iii) context-shock training is ineffective for subsequent shock-odour learning. A further question is whether punishment-learning and pain-relief learning share genetic determinants. In terms of genetics, I test a synapsin mutant strain, which lacks all Synapsin protein, in punishment and relief-learning. Punishment learning is significantly reduced, and relief-learning is abolished. Pan-neuronal RNAi-mediated knock-down of Synapsin results in mutant-like phenotypes, confirming the attribution of the phenotype to lack of Synapsin. Also, a rescue of Synapsin in the mushroom body of syn97 mutants restores both punishment- and relief-learning fully, suggesting the sufficiency of Synapsin in the mushroom body for both these kinds of learning. I also elucidate the relationship between perception and physiology in adult fruit flies. I use odour-shock conditioning experiments to identify degrees of similarity between odours; I find that those similarity measures are consistent across generalization and discrimination tasks of diverse difficulty. Then, as collaborator of T. Völler and A. Fiala, I investigate how such behavioural similarity/dissimilarity is reflected at the physiological level. I combine the behaviour data with calcium imaging data obtained by measuring the activity patterns of those odours in either the sensory neurons or the projection neurons at the antennal lobe. Our interpretation of the results is that the odours perceptual similarity is organized by antennal lobe interneurons. In another project I investigate the effect of gustatory stimuli on reflexive behaviour as well as their role as reinforcer in larval learning. Drosophila larvae greatly alter their behaviour in presence of sodium chloride. Increasing salt concentration modulates choice behaviour from weakly appetitive to strongly aversive. A similar concentration-behaviour function is also found for feeding: larval feeding is slightly enhanced in presence of low salt concentrations, and strongly decreased in the presence of high salt concentrations. Regarding learning, relatively weak salt concentrations function as appetitive reinforcer, whereas high salt concentrations function as aversive reinforcer. Interestingly, the behaviour-concentration curves are shifted towards higher concentrations from reflexive behaviour (choice behaviour, feeding) as compared to associative learning. This dissociation may reflect a different sensitivity in the respective sensory-motor circuitry.
N2  - Tiere müssen lernen, damit sie sich in ihrer Umwelt zurechtfinden und die Herausforderungen meistern können, die ihre Umwelt ihnen bietet. Dies gilt auch für Taufliegen im larvalen und erwachsenen Stadium, wie man mit der Pavlovschen Konditionierung zeigen kann. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit liegt auf verschiedenen Aspekten der Lernfähigkeit von Taufliegen. In meinem Hauptprojekt erforsche ich die Arten von Lernprozessen, die stattfinden, wenn die Fliegen entweder den Beginn oder das Ende eines Elektroschocks mit einem Duft assoziieren. Wenn Taufliegen einen Duft wahrnehmen, der von einem Elektroschock gefolgt wird, lernen sie, dass dieser Duft Schmerz signalisiert, und werden ihn konsequenterweise in Zukunft vermeiden. Man kann die Abfolge dieser beiden Reize so umkehren, dass der Duft auf den Elektroschock folgt. Durch ein solches Training wird der Duft für die Fliegen zu einem Signal für das Ende des schmerzhaften Elektroschocks und sie werden, wenn sie diesen Duft später wieder einmal wahrnehmen, auf ihn zugehen. Ich berichte im ersten Kapitel über Experimente, die qualitative und parametrische Besonderheiten der letzteren Lernform untersuchen. Ich finde heraus, dass (i) das Lernen über das Ende des Elektroschocks echtes assoziatives Lernen ist, (ii) dass es eine relativ hohe Anzahl von Trainingsdurchgängen erfordert, (iii) dass Kontext-Schock-Training unbedeutend für anschließendes Schock-Duft-Lernen ist. Im zweiten Kapitel gehe ich der Frage nach, ob die genannten beiden Typen von Lernvorgängen gemeinsame genetische Determinanten haben. Was die Genetik anbelangt, teste ich die Lernfähigkeit eines Synapsin-Mutantenstammes, dem das Synapsinprotein fehlt. Lernen über den Beginn des Elektroschocks ist stark reduziert, und Lernen über das Ende des Elektroschocks fehlt gänzlich. Die Reduzierung des Synapsinproteins im Fliegengehirn durch RNAi resultiert in mutantenähnlichen Phänotypen. Dieser Befund bestätigt, dass der Lernphänotyp auf einem Mangel an Synapsin beruht. Die Expression von Synapsin im Pilzkörper der Mutante erlaubt der Fliege, wieder normal zu lernen; dies weist auf die Hinlänglichkeit von Synapsin im Pilzkörper für beide Arten von Lernen hin. In einem weiteren Projekt untersuche ich den Zusammenhang zwischen Wahrnehmung und Physiologie in erwachsenen Taufliegen. Ich benutze Duft-Schock-Konditionierungsexperimente, um basierend auf dem Verhalten der Tiere Ähnlichkeitsränge von Düften zu ermitteln, und finde eine einheitliche Rangfolge der untersuchten Düfte für verschiedene Generalisierungs- und Diskriminierungs-Aufgaben von unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad. Schließlich erforsche ich in Kooperation mit T. Völler and A. Fiala, wie der Grad der Verhaltensähnlichkeit /-unähnlichkeit von Düften mit der Physiologie der Fliege in Beziehung steht. Ich kombiniere die Verhaltensdaten mit Daten, die mittels funktioneller Bildgebung unter Verwendung genetisch codierter Kalziumsensoren erhalten wurden. Diese Methode erlaubt, Aktivitätsmuster, die von den untersuchten Düften verursacht werden, entweder in den sensorischen Neuronen oder in den Projektionsneuronen des Antennallobus zu messen. Unsere Interpretation der Ergebnisse ist, dass die Verhaltensähnlichkeit der Düfte auf Ebene der Interneuronen im Antennallobus organisiert wird. Weiterhin erforsche ich die Wirkung von Kochsalz (Natriumchlorid) auf das Reflexverhalten und die Rolle von Natriumchlorid als Belohnung oder Bestrafung im Larvenlernen. Larven der Taufliege verändern ihr Reflexverhalten in Gegenwart von Natriumchlorid in hohem Maße. Larven bevorzugen niedrige Salzkonzentrationen gegenüber einem Substrat ohne Salz; erhöht man die Salzkonzentration jedoch, kehrt sich das Wahlverhalten ins Gegenteil um, bis die Tiere das salzhaltige Substrat stark vermeiden. Ein ähnlicher Zusammenhang zwischen Konzentration und Verhalten wird auch für das Fressverhalten gefunden: Larven fressen von einem Substrat mit niedrigen Salzkonzentrationen geringfügig mehr, von einem Substrat mit hohen Salzkonzentrationen jedoch deutlich weniger als von einem Kontrollsubstrat ganz ohne Salz. Was das Lernen betrifft, wirken relativ schwache Salzkonzentrationen als Belohnung, während hohe Salzkonzentrationen als Bestrafung wirken. Interessanterweise ist die Verhaltens-Konzentrations-Kurve von Reflexverhalten (Wahlverhalten, Fressverhalten) verglichen mit assoziativem Lernen in Richtung höherer Konzentrationen verschoben. Diese Dissoziation könnte eine verschiedenartige Sensitivität der Schaltkreise widerspiegeln.
KW  - Taufliege
KW  - Assoziatives Gedächtnis
KW  - Lernverhalten
KW  - Synapsine
KW  - Molekulargenetik
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - olfaction
KW  - learning
KW  - memory
KW  - synapsin
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65035
ER  - 
TY  - THES
A1  - Knapek, Stephan
T1  - Synapsin and Bruchpilot, two synaptic proteins underlying specific phases of olfactory aversive memory in Drosophila melanogaster
T1  - Synapsin und Bruchpilot, zwei synaptische Proteine für spezifische Komponenten von aversivem olfaktorischem Gedächtnis bei Drosophila melanogaster
N2  - Memory is dynamic: shortly after acquisition it is susceptible to amnesic treatments, gets gradually consolidated, and becomes resistant to retrograde amnesia (McGaugh, 2000). Associative olfactory memory of the fruit fly Drosophila melanogaster also shows these features. After a single associative training where an odor is paired with electric shock (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985), flies form an aversive odor memory that lasts for several hours, consisting of qualitatively different components. These components can be dissociated by mutations, their underlying neuronal circuitry and susceptibility to amnesic treatments (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). A component that is susceptible to an amnesic treatment, i.e. anesthesia-sensitive memory (ASM), dominates early memory, but decays rapidly (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). A consolidated anesthesia-resistant memory component (ARM) is built gradually within the following hours and lasts significantly longer (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). I showed here that the establishment of ARM requires less intensity of shock reinforcement than ASM. ARM and ASM rely on different molecular and/or neuronal processes: ARM is selectively impaired in the radish mutant, whereas for example the amnesiac and rutabaga genes are specifically required for ASM (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). The latter comprise the cAMP signaling pathway in the fly, with the PKA being its supposed major target (Levin et al., 1992). Here I showed that a synapsin null-mutant encoding the evolutionary conserved phosphoprotein Synapsin is selectively impaired in the labile ASM. Further experiments suggested Synapsin as a potential downstream effector of the cAMP/PKA cascade. Similar to my results, Synapsin plays a role for different learning tasks in vertebrates (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Also in Aplysia, PKA-dependent phosphorylation of Synapsin has been proposed to be involved in regulation of neurotransmitter release and short-term plasticity (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin is associated with a reserve pool of vesicles at the presynapse and is required to maintain vesicle release specifically under sustained high frequency nerve stimulation (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). In contrast, the requirement of Bruchpilot, which is homologous to the mammalian active zone proteins ELKS/CAST (Wagh et al., 2006), is most pronounced in immediate vesicle release (Kittel et al., 2006). Under repeated stimulation of a bruchpilot mutant motor neuron, immediate vesicle release is severely impaired whereas the following steady-state release is still possible (Kittel et al., 2006). In line with that, knockdown of the Bruchpilot protein causes impairment in clustering of Ca2+ channels to the active zones and a lack of electron-dense projections at presynaptic terminals (T-bars). Thus, less synaptic vesicles of the readily-releasable pool are accumulated to the release sites and their release probability is severely impaired (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). First, I showed that Bruchpilot is required for aversive olfactory memory and localized the requirement of Bruchpilot to the Kenyon cells of the mushroom body, the second-order olfactory interneurons in Drosophila. Furthermore, I demonstrated that Bruchpilot selectively functions for the consolidated anesthesia-resistant memory. Since Synapsin is specifically required for the labile anesthesia sensitive memory, different synaptic proteins can dissociate consolidated and labile components of olfactory memory and two different modes of neurotransmission (high- vs. low frequency dependent) might differentiate ASM and ARM.
N2  - Gedächtnis ist ein dynamischer Prozess. In der Zeit kurz nach seiner Bildung ist es instabil und anfällig gegen amnestische Störungen, dann wird es schrittweise konsolidiert und schließlich resistent gegenüber retrogradem Gedächtnisverlust (McGaugh, 2000). Auch das assoziative olfaktorische Gedächtnis der Fruchtfliege Drosophila melanogaster zeigt diese Merkmale. Nach einem einzelnen assoziativen Training, in welchem ein Duft mit elektrischen Stromstößen gepaart wird, bilden die Fliegen ein aversives Duftgedächtnis, welches über mehrere Stunden anhält und aus qualitativ unterschiedlichen Komponenten besteht (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985). Diese Komponenten können zum Beispiel durch Mutationen, die zugrunde liegenden neuronalen Verknüpfungen oder durch ihre Anfälligkeit für amnestische Behandlungen unterschieden werden (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). Eine gegen amnestische Behandlungen, wie beispielsweise Kälte-induzierte Betäubung, anfällige Komponente beherrscht das frühe Gedächtnis, zerfällt jedoch schnell (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese wird deshalb Anästhesie-sensitives Gedächtnis genannt (anesthesia-sensitive memory [ASM]). Im Gegensatz dazu baut sich eine konsolidierte Komponente erst langsam in den folgenden Stunden nach dem Training auf, hält stattdessen jedoch länger an (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese Komponente ist resistent gegenüber Kälte-induzierter Anästhesie und wird deshalb als ARM (anesthesia-resistant memory) bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit konnte ich zeigen, dass das konsolidierte ARM bereits mit deutlich weniger starken Elektroschocks im Training gebildet wird als das instabile ASM. ARM und ASM unterliegen unterschiedliche molekulare und/oder neuronale Prozesse. Während in einer Mutante für das radish Gen selektiv ARM beeinträchtigt ist, werden andere Gene wie zum Beispiel amnesiac oder rutabaga ausschließlich für ASM benötigt (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). Die beiden letzteren sind Teil des cAMP Signalweges, welcher vermutlich hauptsächlich die cAMP abhängige Protein-Kinase A (PKA) aktiviert (Levin et al., 1992). Hier zeige ich, dass eine Null-Mutante für das evolutionär konservierte Phosphoprotein Synapsin einen selektiven Defekt in ASM hat. Weitere Experimente lassen vermuten, dass Synapsin als Effektor stromabwärts der cAMP/PKA Kaskade wirkt. Ähnlich wie bei Drosophila spielt Synaspin auch in Vertebraten eine Rolle in unterschiedlichen Lernparadigmen (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Auch in der Meeresschnecke Aplysia wurde eine PKA abhängige Phosphorylierung von Synapsin als Mechanismus für die Regulierung von Neurotransmitterausschüttung und Kurzzeitplastizität vorgeschlagen (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin wird für die Bildung eines Reserve-Pools von Vesikeln an der Präsynapse und für die Aufrechterhaltung der Vesikelausschüttung speziell bei anhaltender, hochfrequenter Stimulation von Nervenzellen benötigt (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). Im Gegensatz dazu wird Bruchpilot, ein Protein der aktiven Zone und homolog zu den ELKS/CAST Proteinen bei Säugern (Wagh et al., 2006), haupsächlich für sofortige Vesikelausschüttung gebraucht (Kittel et al., 2006). Bei wiederholter Stimulation an Motorneuronen einer bruchpilot Mutante ist die akute Vesikelausschüttung stark vermindert, während die darauf folgende andauernde Ausschüttung noch immer möglich ist (Kittel et al., 2006). Dazu passend beeinträchtigt eine künstliche Verminderung des Bruchpilot-Proteins die Ansammlung von Ca2+ Kanälen an den aktiven Zonen, sowie die Bildung von elektronendichten Strukturen (T-bars) an den präsynaptischen Endigungen. Deshalb akkumulieren weniger Vesikel des “readily-releasable” Pools an den Ausschüttungsstellen und die Ausschüttungswahrscheinlichkeit ist stark vermindert (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). In dieser Arbeit zeige ich zum ersten Mal, dass Bruchpilot für aversives olfaktorisches Gedächtnis benötigt wird. Der Ort an dem Bruchpilot hierfür gebraucht wird sind die Kenyon-Zellen des Pilzkörpers, die olfaktorischen Interneuronen zweiter Ordnung in Drosophila. Desweiteren zeige ich, dass die Funktion von Bruchpilot selektiv für das konsolidierte ARM ist. Da Synapsin spezifisch für das labile ASM benötigt wird, können diese beiden olfaktorischen Gedächtniskomponenten durch verschiedene synaptische Proteine getrennt werden, und zwei unterschiedliche Arten der Neurotransmitterausschüttung (abhängig von hoch- oder niedrig-frequenter Stimulation) könnten ASM und ARM auseinander halten.
KW  - Taufliege
KW  - Assoziatives Gedächtnis
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Molekularbiologie
KW  - Synapsin
KW  - Bruchpilot
KW  - Präsynapse
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - olfaktorisches Gedächtnis
KW  - Synapsin
KW  - Bruchpilot
KW  - presynapse
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - olfactory memory
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-49726
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aso, Yoshinori
T1  - Dissecting the neuronal circuit for olfactory learning in Drosophila
T1  - Die neuronale Schaltung für olfaktorisches Lernen in Drosophila
N2  - This thesis consists of three major chapters, each of which has been separately published or under the process for publication. The first chapter is about anatomical characterization of the mushroom body of adult Drosophila melanogaster. The mushroom body is the center for olfactory learning and many other functions in the insect brains. The functions of the mushroom body have been studied by utilizing the GAL4/UAS gene expression system. The present study characterized the expression patterns of the commonly used GAL4 drivers for the mushroom body intrinsic neurons, Kenyon cells. Thereby, we revealed the numerical composition of the different types of Kenyon cells and found one subtype of the Kenyon cells that have not been described. The second and third chapters together demonstrate that the multiple types of dopaminergic neurons mediate the aversive reinforcement signals to the mushroom body. They induce the parallel memory traces that constitute the different temporal domains of the aversive odor memory. In prior to these chapters, “General introduction and discussion” section reviews and discuss about the current understanding of neuronal circuit for olfactory learning in Drosophila.
N2  - Diese Dissertation umfasst drei Kapitel. Das erste Kapitel handelt von der anatomischen Charakterisierung des Pilzkörpers in adulten Drosophila melanogaster. Der Pilzkörper ist das Zentrum für olfaktorisches Lernen und viele andere Funktionen im Insektengehirn. Diese wurden mit Hilfe des GAL4/UAS Genexpressionssystems untersucht. Die vorliegende Arbeit charakterisiert die Expressionsmuster der gewöhnlich verwendeten GAL4 Treiberlinien für die Pilzkörperintrinsischen Neurone, den Kenyonzellen. Dabei zeigten ich die zahlenmäßige Zusammensetzung der unterschiedlichen Kenyonzelltypen und fanden einen Kenyonzellsubtyp, welcher bisher noch nicht beschrieben wurde. Das zweite und dritte Kapitel zeigen, dass verschiedene Typen dopaminerger Neurone aversive Verstärkungssignale (Unkonditionierte Stimuli) zum Pilzkörper übermitteln. Sie induzieren parallele Gedächtnisspuren, welche den unterschiedlichen zeitlichen Komponenten von aversivem Duftgedächtnis zugrunde liegen. Vor diesen Kapiteln enthält der Abschnitt „General introduction and discussion” einen Überblick und eine Diskussion über das derzeitige Verständnis des neuronalen Netzwerks, welches olfaktorischem Lernen in Drosophila zugrunde liegt.
KW  - Taufliege
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Lernverhalten
KW  - Pilzkörper
KW  - olfaktorisches Lernen
KW  - Drosophila
KW  - olfactory learning
KW  - Drosophila
KW  - mushroom body
KW  - Dopamine
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55483
ER  -