Systems level circuit model of C. elegans undulatory locomotion: mathematical modeling and molecular genetics

To establish the relationship between locomotory behavior and dynamics of neural circuits in the nematode C. elegans we combined molecular and theoretical approaches. In particular, we quantitatively analyzed the motion of C. elegans with defective synaptic GABA and acetylcholine transmission, defective muscle calcium signaling, and defective muscles and cuticle structures, and compared the data with our systems level circuit model. The major experimental findings are: (i) anterior-to-posterior gradients of body bending flex for almost all strains both for forward and backward motion, and for neuronal mutants, also analogous weak gradients of undulatory frequency, (ii) existence of some form of neuromuscular (stretch receptor) feedback, (iii) invariance of neuromuscular wavelength, (iv) biphasic dependence of frequency on synaptic signaling, and (v) decrease of frequency with increase of the muscle time constant. Based on (i) we hypothesize that the Central Pattern Generator (CPG) is located in the head both for forward and backward motion. Points (i) and (ii) are the starting assumptions for our theoretical model, whose dynamical patterns are qualitatively insensitive to the details of the CPG design if stretch receptor feedback is sufficiently strong and slow. The model reveals that stretch receptor coupling in the body wall is critical for generation of the neuromuscular wave. Our model agrees with our behavioral data(iii), (iv), and (v), and with other pertinent published data, e.g., that frequency is an increasing function of muscle gap-junction coupling.Comment: Neural control of C. elegans motion with genetic perturbation

Characterizing a Novel Forward Locomotion Mutant in Caenorhabditis Elegans

C. elegans provides a number of tools for understanding cellular networks and neural connections. We identified jd1500 in previous reports as a mutation that affects forward locomotion, which is unusual. Our aims were to: 1) identify the gene responsible for the phenotype that jd1500 exhibits and 2) distinguish the basis for the locomotive asymmetries. Using next-gen whole genome sequencing, we were able to identify specific genes that are likely responsible for the phenotype it shows. Our results suggest that gap junction mutations mask jd1500 activity, but also suggest that jd1500 masks acr-2 activity

The Kinesin‐3 motor, KLP‐4, mediates axonal organization and cholinergic signaling in Caenorhabditis elegans

Microtubule plus‐end directed trafficking is dominated by kinesin motors, yet kinesins differ in terms of cargo identity, movement rate, and distance travelled. Functional diversity of kinesins is especially apparent in polarized neurons, where long distance trafficking is required for efficient signal transduction‐behavioral response paradigms. The Kinesin‐3 superfamily are expressed in neurons and are hypothesized to have significant roles in neuronal signal transduction due to their high processivity. Although much is known about Kinesin‐3 motors mechanistically in vitro, there is little known about their mechanisms in vivo. Here, we analyzed KLP‐4, the Caenorhabditis elegans homologue of human KIF13A and KIF13B. Like other Kinesin‐3 superfamily motors, klp‐4 is highly expressed in the ventral nerve cord command interneurons of the animal, suggesting it might have a role in controlling movement of the animal. We characterized an allele of klp‐4 that contains are large indel in the cargo binding domain of the motor, however, the gene still appears to be expressed. Behavioral analysis demonstrated that klp‐4 mutants have defects in locomotive signaling, but not the strikingly uncoordinated movements such as those found in unc‐104/KIF1A mutants. Animals with this large deletion are hypersensitive to the acetylcholinesterase inhibitor aldicarb but are unaffected by exogenous serotonin. Interestingly, this large klp‐4 indel does not affect gross neuronal development but does lead to aggregation and disorganization of RAB‐3 at synapses. Taken together, these data suggest a role for KLP‐4 in modulation of cholinergic signaling in vivo and shed light on possible in vivo mechanisms of Kinesin‐3 motor regulation

Generation and selection of motor behaviors neural circuits and endocannabinoid modulation

The generation of basic motor behavior relies on the activation of spinal neuronal networks called central pattern generators (CPGs). Descending drive from higher brain areas activates the spinal CPG to generate motor behavior. In the face of changes in the environment, animals make constant motor behavioral selection. Both the generation and selection of motor behavior are performed by activating hard-wired neural circuits, whose activity is further refined by neuromodulation. In this thesis, we use the spinal locomotor networks in lamprey and zebrafish to explore the neural mechanisms underlying the generation and selection of motor behaviors. Firstly, in lamprey spinal locomotor circuits, we show that the release of endocannabinoids increases the excitability of the spinal locomotor network by depressing inhibitory synaptic transmission and potentiating excitatory synaptic transmission. Secondly, we show that the behavioral selection between escape and swimming in zebrafish is mediated by a hard-wired circuit. This circuit is supplemented with endocannabinoid modulation that promotes escape and suppresses swimming. Thirdly, we uncover a novel modular organization of the spinal locomotor circuit. We demonstrate a selective pattern of connectivity between excitatory V2a interneurons and motoneurons segregating them into slow, intermediate and fast sub-circuit modules. Fourthly, we show the existence of electrical coupling between motoneurons and excitatory V2a interneurons, which extends motoneurons influence onto premotor V2a interneurons. This enables motoneurons to become embedded in the spinal circuits generating the locomotor rhythm. Overall this thesis provides insight into the mechanism of generation and selection of motor behaviors

From sensory cues to complex behaviour : towards an understanding of the neuronal computations underlying sensorimotor transformation in Caenorhabditis elegans

Tese de mestrado, Neurociências, Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2020Sobrevivência em ambientes em rápida mudança requer mecanismos aprimorados que permitam aos organismos responder rapidamente a pistas sensoriais, captadas do meio envolvente, e a adaptarem o seu comportamento de forma adequada. O processamento, por parte do sistema nervoso dos organismos, dos mecanismos subjacentes a integração sensório-motora (a transformação de sinais sensoriais em outputs motores) e um dos processos mais fundamentais e, no entanto, mal compreendidos, em neurociências. Neste estudo, visou-se investigar de que forma o nemátodo Caenorhabditis elegans (C. elegans) efetua a transformação sensório-motora num dos seus principais circuitos neuronais de processamento de informação, fundamental na criação de comportamentos provocados pela perceção de odores. O conectoma de C. elegans foi minuciosamente estudado e mapeado, o que levou a que este nemátodo seja considerado um modelo biológico valioso para o estudo de circuitos neuronais e das suas funções. C. elegans e um organismo facilmente manipulável geneticamente. Transgenes que codificam indicadores de cálcio, como e exemplo GCaMP (genetically encoded calcium indicator), podem ser facilmente expressos em neurónios de interesse. GCaMP e uma variante de GFP (Green Fluorescent Protein) que sofre mudanças conformacionais mediante ligação a iões Ca2+ que fluem para o meio intracelular durante um evento de despolarização. Esta mudança conformacional provoca a emissão de fluorescência verde quando o organismo e iluminado com luz azul num setup de microscopia. A transparência de C. elegans torna indicadores de cálcio muito adequados para medição de atividade neuronal neste organismo. Com o advento de técnicas de microscopia para medição de atividade neuronal em C. elegans, foram desenvolvidos dispositivos microfluídicos que permitem manter o organismo imobilizado e sob condições ambientais controladas. A possibilidade de manter o ambiente exterior do organismo sob condições controladas permite o registo da atividade de neurónios específicos, ou mesmo de todo o sistema nervoso, em resolução single-cell, durante ambientes sensoriais constantes ou variáveis, permitindo a atribuição de padrões de atividade neuronal ao efeito de inputs sensoriais. De forma a quimiotaxar em direção a ambientes atrativos, C. elegans executa biased random walks, que consiste num aumento da duração de períodos de movimento dianteiro e uma diminuição na sequencia de manobras de reorientação. Executa também klinotaxis, o comportamento de oscilação da zona anterior do corpo em direções preferenciais, durante períodos de movimento dianteiro. Os princípios subjacentes as transformações sensório-motoras que influenciam o comportamento do organismo, de forma a causar um aumento ou diminuição da frequência de períodos de reversão, são ainda largamente desconhecidos. O interneurónio AIY e particularmente interessante para estudar estas questões, uma vez que este interneurónio recebe sinapses diretas de múltiplos neurónios sensoriais, e estabelece conexões reciprocas com vários neurónios, tendo estes funções na modulação da estratégia de locomoção. AIY foi previamente considerado como sendo fundamental e suficiente para a modulação de circuitos neuronais que, probabilisticamente, influenciam as principais estratégias comportamentais de C. elegans. Assim, estudar os mecanismos que estão na base da transformação sensório-motora que ocorre em AIY e da maior importância. Desta forma, será possível compreender os mecanismos empregados pelo sistema nervoso deste nemátodo, que codificam a execução de comportamentos fundamentais para a sua sobrevivência e fitness evolutivo: a habilidade de quimiotaxar em direção a ambientes sensoriais vantajosos. Em organismos que se movem livremente, o registo da atividade neuronal de células singulares com a gravação simultânea do comportamento do animal, permitiu estabelecer uma relação entre atividade neuronal e a execução de diferentes estratégias de locomoção, em múltiplos neurónios. Foi ainda observado, em estudos anteriores, que neurónios coativos em organismos imobilizados, estão também ativos durante o mesmo estado comportamental em animais que se movem livremente. Assim, a atividade de neurónios ativos em animais imobilizados pode ser diretamente relacionada com uma estratégia de locomoção. Embora o animal não esteja capaz de efetivar o comportamento codificado, um sinal de comando motor e gerado no sistema nervoso do animal. Desta forma, e possível compreender como e que o sistema nervoso do C. elegans combina estados comportamentais com inputs sensoriais, em animais imobilizados. Neurónios sensoriais em C. elegans possuem terminações nervosas expostas ao meio ambiente envolvente e podem reconhecem uma grande variedade de estímulos sensoriais. Neurónios motores enervam células musculares e são os neurónios ultimamente responsáveis pela geração de comportamentos. Interneurónios são considerados neurónios que carecem de terminações nervosas sensoriais ou juncões neuromusculares, por isso estabelecendo a comunicação entre neurónios sensoriais e motores ao formarem uma extensa rede de interações entre os últimos e outros interneurónios. Neste estudo, foram usadas técnicas de biologia molecular para expressar o indicador de cálcio GCaMP em neurónios de interesse: no interneurónio AIY; num dos seus principais parceiros pré-sinápticos – o neurónio sensorial AWC; e no interneurónio RIM. AWC e um neurónio sensorial envolvido na deteção de múltiplos odores, incluindo odor bacteriano. RIM e um interneurónio pré- motor cujos períodos de elevada atividade estão relacionados com a codificação de manobras de reversão. Foi utilizada microscopia confocal de disco giratório para registar a atividade dos neurónios acima mencionados, através das variações intracelulares de cálcio das células, tanto em animais imobilizados, como em animais livres. Observou-se que a atividade de AIY e aqui reportada como sendo dominada por um sinal codificante de estados de comando motor (locomoção dianteira/manobras de reversão), na ausência de mecanismos de feedback propriocetivo ativos. Apesar dos circuitos neuronais existentes no sistema nervoso de C. elegans, responsáveis pela sinalização do estado motor instantâneo para AIY, não serem dissecados, aqui e observada uma modulação da atividade do neurónio anterior a mudança de estado de comando motor. Esta observação e interpretada como uma indicação de que AIY regula a ocorrência de manobras de reversão. AIY recebe input maioritariamente de neurónios sensoriais, sendo, por isso, conhecido como um interneurónio primário. E, por isso, surpreendente encontrar uma regulação de estados de locomoção do animal numa fase tao precoce de transformação sensoriomotora. Estas descobertas vão de encontro a estudos recentes realizados em organismos com sistemas nervosos mais complexos. De seguida, visou-se compreender como e que o sinal dominante que governa a atividade de AIY e combinado com informação sensorial. Para isso, desenvolveu-se um paradigma de estimulação sensorial usando dispositivos microfluídicos que permitem o fornecimento de odores aos animais. Mediu-se a atividade de AWC e AIY em organismos imobilizados, enquanto se providenciou um estimulo sensorial de odor bacteriano. Devido a limitações técnicas do setup experimental usado para estimular o animal, não foi possível recapitular as respostas estereotipadas que o neurónio sensorial AWC apresenta aquando da estimulação sensorial, como reportado em literatura previa. Adicionalmente, não foram encontradas evidencias suficientes para afirmar que a atividade de AIY sofreu influencia do estimulo. Assim, não foi possível compreender em plenitude de que forma AIY combina informação de estados motores com informação sensorial. No entanto, encontrou-se evidencia para transformação sensório-motora, possivelmente através de outros circuitos neuronais que não o aqui estudado, que influenciou a modulação do comportamento animal. Estudos anteriores mostraram que AIY exibe atividade ao longo do axónio e suas projeções axonais, não existindo relatos de dinâmica de cálcio no núcleo ou corpo celular. Não e claro quão frequentemente neurónios mostram diferentes padrões de dinâmica de cálcio no soma ou neurites e, especificamente, quão frequentemente esta estratégia e usada por interneurónios como forma de integrar informação sensorial e motora no mesmo espaço celular. Não se encontrou evidencia de que esta estratégia e usada por AIY, sugerindo que este neurónio usa outras abordagens para combinar sinais de diferentes origens. Finalmente, a atividade de AWC e AIY for registada em animais livres de movimento, na presença de um gradiente bacteriano, uma fonte de alimento para C. elegans e, por isso, um forte estimulo sensorial. Atividade neuronal em animais restringidos de movimento e animais com a capacidade de se moverem livremente mostra diferenças. Deste modo, visou-se compreender como e que a atividade de AIY varia na presença de inputs sensoriais que só um animal livre de locomoção integra (inputs proprioceptivos). A fraca expressão de GCaMP que foi possível obter em AIY neste estudo limitou a resolução espacial e temporal dos dados obtidos, que revelaram ser insuficiente para os objetivos propostos. De um modo geral, este estudo e relevante para a comunidade por sugerir um interneurónio primário como sendo capaz de modular a ocorrência de estados de comando motor em estádios iniciais de integração sensório-motora. Esta estratégia foi recentemente reportada em sistemas nervosos mais complexos, sugerindo ter relevância funcional para múltiplos organismos do reino animal.Survival in fast changing environments requires fine-tuned mechanisms that allow the organisms to rapidly react to sensory cues and adapt their behaviour to respond accordingly. The brain’s computations underlying sensorimotor integration, the transformation of sensory signals into motor outputs, is one of the most fundamental, yet poorly understood, processes in neuroscience. Here, we aim to investigate how the nematode Caenorhabditis elegans achieves sensorimotor transformation, by studying one of its most fundamental neuronal circuits for information processing and odour evoked behaviours. By expressing genetically encoded calcium indicators in neurons of interest, we performed in vivo calcium imaging in immobilised worms, both in an environment deprived of fluctuating sensory stimulation and while delivering an attractive odour to the animals. We reveal the activity of a primary sensory neuron to be dominated by a signal encoding motor command states of the animal, and suggest that this neuron may take part in modulating motor command state transitions in the worm’s brain. Moreover, here, we aimed to study how an attractive cue for the worm affects the coding of behavioural states, and how a single neuron can multiplex both behavioural and sensory information. Finally, we recorded the activity of the same neurons in freely crawling animals as an attempt to understand how sensorimotor transformation varies from immobilised to unrestrained animals. Altogether, this work bears potential relevance to the C. elegans community by suggesting a primary sensory neuron as being capable of modulating motor commands states at early stages of sensorimotor transformation. This strategy has recently been reported in higher-order organisms as well, suggesting that it has functional relevance for organisms across the animal kingdom

Sensory computation and decision making in C. elegans: a computational approach

In Caenorhabditis elegans (C. elegans) and in neuroscience generally, a hierarchical view of nervous systems prevails. Roughly speaking, sensory neurons encode the external environment, interneurons encode internal state and decisions, and motor neurons encode muscle activation. Here, using an integrated approach to model sensory computation and decision making in C. elegans, I show a striking phenomenon. Via the simplest modulation possible, sensitization and desensitization, sensory neurons in C. elegans can also encode the animal’s internal state. In this thesis, I present a modeling framework, and use it to implement two detailed models of sensory adaptation and decision making. In the first model I consider a decision making task, in which worms need to cross a lethal barrier in order to reach an attractant on the other side. My model captures the experimental results, and predicts a minimal set of requirements. This model‘s mechanism is reminiscent of similar top-down attention modulation motifs in mammalian cortex. In the second model, I consider a form of plasticity in which animals alternate their perception of a signal from attractive to repulsive. I show how the model encodes high and low-level behavioral states, balancing attraction and aversion, exploration and exploitation, pushing the ‘decision making’ into the sensory layer. Furthermore, this model predicts that specific sensory neurons may have the capacity to selectively control distinct motor programs. To accomplish these results, the modeling framework was designed to simulate a full sensory motor pathway and an in silico simulation arena, allowing it to reproduce experimental findings from multiple assays. Hopefully, this allows the model to be used by the C. elegans community and to be extended, bringing us closer to the larger aim of understanding distributed computation and the integrated neural control of behavior in a whole animal

Sensory Coding and Olfactory Integration in Caenorhabditis Elegans

Animals must sense their external environments to guide meaningful behavior. The nematode Caenorhabditis elegans, for example, uses volatile cues to navigate toward food from a distance. How does an animal integrate the olfactory information from its environment? Here, I ask how multiple sensory neurons drive and shape one interneuron’s activity. C. elegans senses several odors, including the bacterial metabolite diacetyl, using the AWA sensory neurons. AWA forms chemical and electrical synapses onto several interconnected interneurons, which contribute to chemotaxis toward attractive odors like diacetyl. One AWA target is the interneuron AIA, which is connected to AWA via a putative electrical synapse. Both AWA and AIA are robustly activated by diacetyl, but the reliability of their responses decreases at low concentrations. AIA relies on AWA for its reliable response to diacetyl. However, directly activating AWA is not sufficient to evoke reliable AIA responses. Instead, AIA responses to optogenetic AWA stimulation had high and variable latencies and low probabilities. AIA responses, when they did occur, had stereotyped on-dynamics to all concentrations of diacetyl tested, to AWA optogenetic stimulation, and to several additional attractive odors, suggesting all-or-none AIA activation to sensory input. In animals lacking chemical synaptic transmission, AIA responses to direct AWA optogenetic stimulation were fast and reliable, resembling those evoked by diacetyl. AWA-to-AIA communication is thus regulated by inhibitory synaptic input from surrounding neurons. This inhibition comes from a small set of glutamatergic sensory neurons that work together to gate AIA responses to AWA activation. Consistently, two of these glutamatergic sensory neurons directly sense and are inhibited by diacetyl. Their responses are less reliable, or even non-existent, at low concentrations of diacetyl. The difference in the reliability of AIA responses to different diacetyl concentrations may be explained by differences in the composition of the upstream sensory responses. Reliable AIA responses appear to require both activation from AWA through an electrical synapse and the release of inhibition from glutamatergic sensory neurons through chemical synapses. AIA acts as a coincidence detector, and its activity represents a readout of global sensory state, providing insight into how AIA represents “food” signals that are sensed by multiple sensory neurons

線虫の塩走化性回路を制御する神経活動に関する研究

筑波大学 (University of Tsukuba)201