Title (eng)
A Drosophila model of injury-induced synaptic plasticity
Parallel title (deu)
Ein Drosophila-Modell von Verletzungs-induzierter synaptischer Plastizität
Author
Dominik Javorski
Advisor
Thomas Hummel
Assessor
Thomas Hummel
Abstract (deu)
Injuries of the adult nervous system such as peripheral lesions or central focal strokes lead to substantial structural and functional reorganization of neural circuits and boosting these intrinsic neuroplastic processes is critical for functional recovery. Various evidence is pointing to compensatory take-over of lost functions not only by adjacent perilesional areas but also to an important role of the contralesional hemisphere in recovery, but the cellular resolution of underlying structural changes has been rather limited.
Here I am using the adult brain of Drosophila melanogaster as an experimental model to determine the cellular dynamics of injury induced synaptic plasticity. Previous studies have shown that peripheral lesions within the adult fly olfactory system result in rapid degeneration of sensory afferents but little changes in the overall integrity of the postsynaptic circuit. By employing a recently developed activity dependent GRASP technology, I could show that loss of sensory input results in specific structural remodeling of synaptic contacts between excitatory projection neurons (PNs) and inhibitory local interneurons (LNs). For example, unilateral lesion results in differential increase of GABAergic inhibitory synapses on two main output neurons, PNv1 and PNv5. To determine the effect of neuronal activity on synaptic remodeling I analyzed the effect of chronic sensory stimulation on the injured brain region compared to the unaffected hemisphere. Interestingly, while synaptic inhibition increases at the injured site, a novel type of excitatory interaction between specific PN classes develop at a homologue circuit of the unaffected hemisphere, indicating a compensatory mechanism of sensory perception. Finally, by analyzing changes in synaptic activity following sensory deprivation, the injury-specific responses on circuit remodeling could be determined.
In summary, in-depth analysis of lesion induced plasticity in a confined brain circuit of Drosophila not only revealed, that the mature nervous system is capable of synaptic remodeling in a neuron-type specific fashion but also a possible role of synaptic activity in compensatory responses. With these central features of injury-response in mammals conserved in Drosophila, this experimental model offers excellent conditions to identify essential genes for such plasticity events which might also help to understand possible ways of recovery in lesioned human brains.
Abstract (eng)
Verletzungen des Nervensystems, wie beispielsweise der Verlust von Gliedmaßen und Schlaganfälle, führen zu grundlegenden strukturellen und funktionellen Veränderungen von neuronalen Schaltkreisen. Diese intrinsischen Prozesse richtig zu verstärken könnte den Schlüssel darstellen um eine möglichst gute Wiederherstellung von neuronalen Funktionen zu gewährleisten. Aktuelle Forschungen konnten zeigen, dass nicht nur angrenzende Hirnareale eine unterstützende Rolle bei der Wiederherstellung von Funktionen darstellen können, sondern dass auch Hirnareale auf der kontralateralen Gehirnhälfte diese Rolle einnehmen können. Jedoch gilt es noch einige Fragen zu klären, wie diese Prozesse auf zellulärer Ebene stattfinden.
In dieser Arbeit wurde das Gehirn von Drosophila melanogaster als experimentelles Modell herangezogen, um der zellulären Dynamik von synaptischer Plastizität, welche in Folge von Verletzungen auftritt, auf den Grund zu gehen. Vorangegangene Arbeiten haben gezeigt, dass einseitiges Entfernen der Antennen von Fliegen zu rascher Degeneration von Nervenbahnen führt, jedoch Neurone welche als synaptischer Partner fungieren würden nicht davon beeinflusst zu werden scheinen. Durch Anwenden einer Aktivitäts-abhängigen GRASP Technik war es mir möglich deutliche Veränderungen an exitatorischen sowie inhibitorischen Synapsen aufzuzeigen, welche als Folge von Verletzungen an peripheren Sinnesorganen auftreten. Beispielsweise konnte gezeigt werden, dass eine einseitige Entfernung der Antennen eine erhöhte Aktivität von inhibitorischen Synapsen auf zwei exitatorischen Output Neurone zur Folge hat. Um den Effekt von neuronaler Aktivität auf synaptische Veränderungen zu bestimmen, habe Ich die Auswirkung von chronischer sensorischer Stimulation auf der verletzten Hemisphäre mit der unverletzten Hemisphäre verglichen. Interessanterweise, während wie erwähnt inhibitorische Synapsen erhöhte Aktivität auf der verletzen Seite vorweisen, zeigte eine exitatorische Synapse zwischen zwei Projektionsneuronen erhöhte Aktivität in der unverletzten Hemisphäre, was auf einen kompensatorischen Prozess in der Geruchswahrnehmung deutet.
Mit dieser detailreichen Analyse von Verletzungs-induzierter synaptischer Plastizität in einem festgelegten neuronalen Netzwerk in Drosophila konnte nicht nur gezeigt werden, dass das adulte Nervensystem fähig ist Neuronen spezifisch Synapsen zu remodellieren, sondern auch, dass neuronale Aktivität in Folge von Verletzungen möglicherweise auf kompensatorische Antworten hindeutet. Da diese Reaktion auf Verletzungen, welche in Säugetieren mehrfach beschrieben wurde, in Drosophila konserviert zu sein scheint, bietet dieses experimentelle Modell exzellente Bedingungen für weitere Forschung, um Gene zu identifizieren die für solche plastischen Prozesse essentiell sind und möglicherweise zu einem besseren Verständnis von funktioneller Wiederherstellung in verletzten Gehirnen des Menschen führen.
Keywords (eng)
plasticityinjurylesionsynapsesGRASP
Keywords (deu)
PlastizitätVerletzungLesionSynapsenGRASP
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1340445
rdau:P60550 (deu)
110 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
110
Association (deu)
Title (eng)
A Drosophila model of injury-induced synaptic plasticity
Parallel title (deu)
Ein Drosophila-Modell von Verletzungs-induzierter synaptischer Plastizität
Author
Dominik Javorski
Abstract (deu)
Injuries of the adult nervous system such as peripheral lesions or central focal strokes lead to substantial structural and functional reorganization of neural circuits and boosting these intrinsic neuroplastic processes is critical for functional recovery. Various evidence is pointing to compensatory take-over of lost functions not only by adjacent perilesional areas but also to an important role of the contralesional hemisphere in recovery, but the cellular resolution of underlying structural changes has been rather limited.
Here I am using the adult brain of Drosophila melanogaster as an experimental model to determine the cellular dynamics of injury induced synaptic plasticity. Previous studies have shown that peripheral lesions within the adult fly olfactory system result in rapid degeneration of sensory afferents but little changes in the overall integrity of the postsynaptic circuit. By employing a recently developed activity dependent GRASP technology, I could show that loss of sensory input results in specific structural remodeling of synaptic contacts between excitatory projection neurons (PNs) and inhibitory local interneurons (LNs). For example, unilateral lesion results in differential increase of GABAergic inhibitory synapses on two main output neurons, PNv1 and PNv5. To determine the effect of neuronal activity on synaptic remodeling I analyzed the effect of chronic sensory stimulation on the injured brain region compared to the unaffected hemisphere. Interestingly, while synaptic inhibition increases at the injured site, a novel type of excitatory interaction between specific PN classes develop at a homologue circuit of the unaffected hemisphere, indicating a compensatory mechanism of sensory perception. Finally, by analyzing changes in synaptic activity following sensory deprivation, the injury-specific responses on circuit remodeling could be determined.
In summary, in-depth analysis of lesion induced plasticity in a confined brain circuit of Drosophila not only revealed, that the mature nervous system is capable of synaptic remodeling in a neuron-type specific fashion but also a possible role of synaptic activity in compensatory responses. With these central features of injury-response in mammals conserved in Drosophila, this experimental model offers excellent conditions to identify essential genes for such plasticity events which might also help to understand possible ways of recovery in lesioned human brains.
Abstract (eng)
Verletzungen des Nervensystems, wie beispielsweise der Verlust von Gliedmaßen und Schlaganfälle, führen zu grundlegenden strukturellen und funktionellen Veränderungen von neuronalen Schaltkreisen. Diese intrinsischen Prozesse richtig zu verstärken könnte den Schlüssel darstellen um eine möglichst gute Wiederherstellung von neuronalen Funktionen zu gewährleisten. Aktuelle Forschungen konnten zeigen, dass nicht nur angrenzende Hirnareale eine unterstützende Rolle bei der Wiederherstellung von Funktionen darstellen können, sondern dass auch Hirnareale auf der kontralateralen Gehirnhälfte diese Rolle einnehmen können. Jedoch gilt es noch einige Fragen zu klären, wie diese Prozesse auf zellulärer Ebene stattfinden.
In dieser Arbeit wurde das Gehirn von Drosophila melanogaster als experimentelles Modell herangezogen, um der zellulären Dynamik von synaptischer Plastizität, welche in Folge von Verletzungen auftritt, auf den Grund zu gehen. Vorangegangene Arbeiten haben gezeigt, dass einseitiges Entfernen der Antennen von Fliegen zu rascher Degeneration von Nervenbahnen führt, jedoch Neurone welche als synaptischer Partner fungieren würden nicht davon beeinflusst zu werden scheinen. Durch Anwenden einer Aktivitäts-abhängigen GRASP Technik war es mir möglich deutliche Veränderungen an exitatorischen sowie inhibitorischen Synapsen aufzuzeigen, welche als Folge von Verletzungen an peripheren Sinnesorganen auftreten. Beispielsweise konnte gezeigt werden, dass eine einseitige Entfernung der Antennen eine erhöhte Aktivität von inhibitorischen Synapsen auf zwei exitatorischen Output Neurone zur Folge hat. Um den Effekt von neuronaler Aktivität auf synaptische Veränderungen zu bestimmen, habe Ich die Auswirkung von chronischer sensorischer Stimulation auf der verletzten Hemisphäre mit der unverletzten Hemisphäre verglichen. Interessanterweise, während wie erwähnt inhibitorische Synapsen erhöhte Aktivität auf der verletzen Seite vorweisen, zeigte eine exitatorische Synapse zwischen zwei Projektionsneuronen erhöhte Aktivität in der unverletzten Hemisphäre, was auf einen kompensatorischen Prozess in der Geruchswahrnehmung deutet.
Mit dieser detailreichen Analyse von Verletzungs-induzierter synaptischer Plastizität in einem festgelegten neuronalen Netzwerk in Drosophila konnte nicht nur gezeigt werden, dass das adulte Nervensystem fähig ist Neuronen spezifisch Synapsen zu remodellieren, sondern auch, dass neuronale Aktivität in Folge von Verletzungen möglicherweise auf kompensatorische Antworten hindeutet. Da diese Reaktion auf Verletzungen, welche in Säugetieren mehrfach beschrieben wurde, in Drosophila konserviert zu sein scheint, bietet dieses experimentelle Modell exzellente Bedingungen für weitere Forschung, um Gene zu identifizieren die für solche plastischen Prozesse essentiell sind und möglicherweise zu einem besseren Verständnis von funktioneller Wiederherstellung in verletzten Gehirnen des Menschen führen.
Keywords (eng)
plasticityinjurylesionsynapsesGRASP
Keywords (deu)
PlastizitätVerletzungLesionSynapsenGRASP
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1340446
Number of pages
110
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