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Understanding global sleep and wake brain states at single neuron resolution in C. elegans
Annika Nichols
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Molekulare Biologie)
Betreuer*in
Manuel Zimmer
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10405.18629.739862-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Schlaf ist uns allen allgegenwärtig und stellt ein im Tierreich weit verbreitetes Phänomen dar. Es ist jedoch kaum verstanden, wie das Gehirn den Wechsel zwischen so konträren Zuständen wie Schlaf und Wachheit effektiv kontrollieren kann. Der Fadenwurm C. elegans durchlebt während bestimmter Entwicklungsphasen, die Lethargus genannt werden, anhaltende Phasen von Verhaltensinaktivität. Diese Phasen erfüllen alle Kriterien, die erforderlich sind, um sie als Schlafzustände definieren zu können. Durch Verhaltensexperimente und Genetik konnten wir einen sensorischen neuronalen Schaltkreis charakterisieren, der den Erregungszustand des Wurms während der Lethargus-Phase schnell und robust steuern kann. Diese Fähigkeit hing von der Aktivität des Neuropeptidrezeptors NPR-1 ab. Allele, die eine niedrige NPR-1-Aktivität verursachen, wie sie in ursprünglichen, nicht-domestizierten C. elegans-Isolaten vorkommen, sowie Null-Allele, erhöhten die Sensitivität des Schaltkreises zu Sauerstoff derartig, dass die Tiere bei atmosphärischem Sauerstoff konstant wachgehalten wurden. Herabgesenkte Sauerstoffkonzentrationen hingegen, wie sie im natürlichen Bodenhabitat von C. elegans vorgefunden werden, erlauben den Tieren den Übergang zum Schlaf. Diese Entdeckung ermöglichte einen neuen experimentellen Ansatz, um den Schlafzustand der Tiere im Labor schnell kontrollieren zu können und dabei gleichzeitig mittels Fluoreszenzmikroskopie die Aktivität fast aller Nervenzellen im Gehirn zu messen. Während der wachen Phasen befanden sich die Gehirne der Tiere in dynamischen Zuständen. Mittels Methoden der Analyse dynamischer Systeme lassen sich diese Zustände als sogenannte dynamische Attraktoren beschreiben, d.h. die Netzwerkaktivität durchläuft stabile wiederkehrende Aktivitätsmuster, oder auch Grenzzyklen. Zuvor konnte durch unser Labor gezeigt werden, dass man aus der Phase dieser Zyklen verschiedene Verhaltenskommandos dekodieren kann. Während des Schlafes hingegen waren die meisten Nervenzellen in ihrer Aktivität stark herunterreguliert, mit Ausnahme einiger GABAerger Interneurone und Motoneurone. Im Gegensatz zur Wachheit ließ sich der Schlafzustand durch Eigenschaften eines Fixpunkt-Attraktors, also eines stationären stabilen Netzwerkzustandes, beschreiben. Das stabile Fixpunktverhalten konnte auf die schlafaktiven GABAergen Neurone namens RIS und RME zurückgeführt werden, die wahrscheinlich den Schlafzustand auf diese Weise fördern und stabilisieren. Aufgrund dieser Entdeckungen postulieren wir die Hypothese, dass Schlaf ein stabiler Grundzustand des Gehirns sein könnte, der durch schlafaktive Neurone gefördert wird. Diese Eigenschaften bieten die Möglichkeit, Schlaf und Wachheit effektiv durch sensorische Erregungsschaltkreise zu steuern. Ähnliche Prinzipien könnten bei der Schlafregulierung in Säugetieren, wie dem Menschen, eine Rolle spielen.
Abstract
(Englisch)
Sleep is a prominent and widely conserved behaviour. However, how the brain can effectively control and switch between two so drastically different brain states like sleep and wakefulness is poorly understood. During developmental stages termed lethargus C. elegans exhibits prolonged phases of behavioural quiescence, which satisfies all of the behavioural criteria for sleep. Using behavioural genetics, we identified a chemosensory arousal circuit involving a neuropeptide receptor (npr-1) that can trigger rapid and robust switching between behavioural quiescence and wakefulness. Animals with either a wild or null allele of npr-1 prefer to dwell at intermediate oxygen levels, which can be found in the natural soil habitat of C. elegans. In lethargus npr-1 animals high (i.e. atmospheric) oxygen levels rapidly induce sustained arousal, while preferred intermediate oxygen levels permit sleep. I have exploited this paradigm to image brain-wide neuronal activity during these state transitions. During wakefulness, animals display continuous dynamical neuronal network activity, which has been previously shown by our lab to represent motor action commands (e.g. forward or reverse crawling movements). However, during the sleep-prone lethargus stage, this kind of brain activity is often interrupted by periods of global quiescence characterised by systemic down-regulation of neuronal activity. While motor actions during periods of wakefulness are represented by rapidly fluctuating neuronal dynamics, the sleep brain state arises by converging towards a stationary phase, which can be described as a fixed-point attractor of the network. This state is characterised by maintained tonic activity of GABAergic head neuron classes termed RME and RIS, the latter has been previously described as a sleep promoting neuron. Based on our data we propose that under conditions of high sleep pressure neuronal networks are drawn by sleep promoting neurons to a baseline attractor state, and that this attractor mechanism could be an effective means to allow for rapid reactivation of network dynamics by signalling from arousing circuits.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Sleep C. elegans
Schlagwörter
(Deutsch)
Schlaf C. elegans
Autor*innen
Annika Nichols
Haupttitel (Englisch)
Understanding global sleep and wake brain states at single neuron resolution in C. elegans
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
133 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Mario De Bono ,
Florian Raible
Klassifikation
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC15318234
Utheses ID
49760
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |