Detailansicht
Sensorimotor transformation in the brain of C. elegans
Anton Parinov
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Molekulare Biologie
Betreuer*in
Manuel Zimmer
DOI
10.25365/thesis.80093
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13446.81360.728973-4
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die sensorimotorische Transformation bezieht sich auf die komplexen neuronalen Prozesse, die sensorische Eingaben in motorische Befehle umwandeln und es Organismen ermöglichen, ihre Handlungen und Bewegungen effektiv auf äußere Reize abzustimmen. Dadurch wird die Interaktion mit und die Anpassung an ihre dynamische Umgebung erleichtert. Wichtige neue Perspektiven in der Neurowissenschaft, wie beispielsweise die „Coordination View“, betonen den komplexen Informationsfluss innerhalb sensorimotorischer Schaltkreise und die entscheidende Rolle der Aktivität interner Systeme in diesen Prozessen. In diesem Projekt nutzten wir das ethologisch relevante Verhalten des Bodenfadenwurms C. elegans, das darin besteht, durch Rückwärtskriechen hohe Sauerstoffkonzentrationen in der Umwelt zu vermeiden, um die sensorimotorische Transformation in seinem Nervensystem zu untersuchen. Die Hauptziele bestanden darin, die spezifischen neuronalen Schaltkreise zu identifizieren und gründlich zu beschreiben, die an diesem Prozess beteiligt sind, sowie die neuronalen Aktivitätsmuster aufzudecken, die die sensorimotorische Transformation steuern, und ihre funktionalen Rollen zu verstehen. Im Verlauf des Projekts entwickelten wir ein effektives experimentelles Paradigma zur Untersuchung der sensorimotorischen Transformation bei C. elegans, wobei wir die Vorteile des Ganzhirn-Ca2+-Imagings nutzten. Dies umfasste die Entwicklung eines ergänzenden Analysealgorithmus, der eine unvoreingenommene Identifizierung der an der Informationsverarbeitung beteiligten Neuronen ermöglicht und zwischen sensorischen und motorischen Verarbeitungsinhalten unterscheidet. Dieser Ansatz führte zu bedeutenden Erkenntnissen, die wesentliche Prinzipien der sensorimotorischen Transformation im Nervensystem des Wurms offenbarten. Unsere Studie enthüllte mehrere Indikatoren neuronaler Aktivität, die die „Coordination View“-Hypothese in der Neurowissenschaft unterstützen. Insbesondere entdeckten wir eine Variabilität der Reaktionen und zeigten die entscheidende Rolle des internen Zustands des Systems in diesem Phänomen auf. Darüber hinaus zeigten mehrere sensorische Neuronen und Interneuronen, die in diesem sensorimotorischen Schaltkreis identifiziert wurden, Aktivitätsmuster, die auf ihre Rolle in der Reaktionsvariabilität hinweisen. Ferner machten wir eine überzeugende Entdeckung über das zweite interneuronale Schichtneuron RIB, das dafür bekannt ist, eine Rolle bei der Steuerung der Vorwärtsbewegung zu spielen. Unsere Daten deuten darauf hin, dass die Phase von niederamplitudigen, spontanen Aktivitätsmodulationen im RIB-Neuron das Zeitfenster für das Auslösen einer Rückwärtsbewegungsreaktion auf den Sauerstoffreiz festlegen könnte. Schließlich entdeckten wir zahlreiche Signaturen in den Aktivitätsprofilen von sensorischen Neuronen und Interneuronen, die auf potenzielle Feedback-Mechanismen hinweisen, die ihre Reaktionsfähigkeit basierend auf dem aktuellen internen Zustand des Schaltkreises modulieren könnten. Insgesamt charakterisierten wir die komplexen Dynamiken der sensorimotorischen Transformation und lieferten neue Einblicke in die Reaktionsvariabilität, die im Gehirn von C. elegans beobachtet wurde.
Abstract
(Englisch)
Sensorimotor transformation refers to the complex neural processes that convert sensory input into motor commands, enabling organisms to effectively coordinate their actions and movements in response to external stimuli, thereby facilitating interaction with and adaptation to their dynamic surroundings. Importantly, emerging perspectives in neuroscience, such as the Coordination View, highlight the intricate flow of information within sensorimotor circuits and emphasize the crucial role of internal system activity in these processes. In this project, we utilized the ethologically relevant behavior of the soil nematode worm C. elegans, which involves reversal crawling to avoid high environmental oxygen concentrations, to study sensorimotor transformation in its nervous system. The main objectives were to identify and thoroughly describe the specific neuronal circuits involved in this process and uncover the neural activity patterns driving sensorimotor transformation and understand their functional roles. Throughout the project, we designed an effective experimental paradigm to investigate sensorimotor transformation in C. elegans, utilizing the advantages of whole-brain Ca2+ imaging. This included the development of a complementary analysis algorithm that enables unbiased identification of neurons involved in information processing, distinguishing between sensory and motor processing content. This approach led to significant findings, revealing key principles of sensorimotor transformation in the nervous system of the worm. Our study unveiled multiple indicators of neuronal activity that support the Coordination View hypothesis in neuroscience. In particular, we discovered response variability and revealed the pivotal role of the internal state of the system in this phenomenon. Moreover, multiple sensory and interneurons identified in this sensorimotor circuit demonstrated activity signatures indicating their role in the response variability. Further, we made a compelling finding about the second-layer interneuron RIB, which is known to play a role in controlling forward locomotion. Our data indicate that the phase of low-amplitude spontaneous activity modulations in the RIB neuron might set the timing window for triggering a reversal locomotion response to the oxygen stimulus. Finally, we uncovered numerous signatures in sensory and interneuron activity profiles implying potential feedback mechanisms that could modulate their responsiveness based on the current internal state of the circuit. Overall, we characterized and provided new insights into the intricate dynamics of sensorimotor transformation, including the response variability observed in the brain of C. elegans.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Neurowissenschaften Schaltkreis Neurowissenschaft Sensorimotorische Transformation Antwortvariabilität Bildgebung des gesamten Gehirns Calcium-Bildgebung C. elegans
Schlagwörter
(Englisch)
Neuroscience Circuit Neuroscience Sensorimotor transformation Response variability Whole-brain imaging Calcium imaging C. elegans
Autor*innen
Anton Parinov
Haupttitel (Englisch)
Sensorimotor transformation in the brain of C. elegans
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
156 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Mario De Bono ,
Wulf Haubensak
Klassifikation
42 Biologie > 42.63 Tierphysiologie
AC Nummer
AC17753214
Utheses ID
77637
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |