Insekten zeigen eine bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit und Flexibilität in ihrem Laufverhalten. Die Mechanismen motorischer Kontrolle und die Funktionsweise von „central pattern generators“ sind vergleichsweise gut erforscht. Sehr wenig ist jedoch bekannt darüber, wie neuronale Zentren höherer Ordnung motorische Schaltkreise kontrollieren, zielgerichtetes Laufverhalten steuern und die Laufrichtung bestimmen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe genetischer Methoden in Drosophila Komponenten diese neuronalen Zentren höherer Ordnung zu identifizieren und zu untersuchen.
In der erste Hälfte der Arbeit wird die Erstellung einer Bibliothek von „enhancer tile“ GAL4 Linien beschrieben, mit der spezifische Neuronengruppen im Drosophila Nervensystem manipuliert werden können. Diese Sammlung von GAL4 Linien wurde mit Aktivierungs- und Deaktivierungsscreens getestet, um Neuronen zu identifizieren, deren Aktivität Einfluss auf die Laufrichtung der Fliege hat. Gruppen von Neuronen wurden mit dem thermosensitiven Kationenkanal dTrpA1 aktiviert bzw.mit Tetanustoxin (TNT) deaktiviert. In den beiden Screens wurden mehrere, zum Teil überlappende GAL4 Linien identifiziert, die nach der jeweiligen Manipulation Veränderungen in der Laufrichtung aufweisen, während die Laufkoordination oder die Laufgeschwindigkeit unbeeinträchtigt ist. Besonderes Interesse galt im Weiteren solchen GAL4 Linien, die Neuronen markierten, deren Aktivierung Rückwärtslaufen herbeiführt oder deren Deaktivierung Rückwärtslaufen verhindert. Mit Hilfe von intersektioneller genetischer Methoden und stochastischer Markierung von Zellen war es in der Tat möglich, solche spezifischen Neuronenklassen zu identifizieren und zu untersuchen. Im letzten Teil der Arbeit wurde der gesamte Datensatz des Deaktivierungsscreens systematisch analysiert, was eine wichtige Grundlage dafür legte, weitere Neuronen zu finden, die eine Rolle für den Vorwärts- und Rückwärtslauf spielen.
In der vorliegenden Arbeit konnten Komponenten neuronaler Zentren höherer Ordnung identifiziert werden, die Einfluss auf die Laufrichtung haben. Letzteres eröffnet neue Möglichkeiten, den neuronalen Schaltkreis für die umfassende Kontrolle des Laufverhaltens in Drosophila melanogaster mit zellulärer Auflösung zu entschlüsseln und funktional zu charakterisieren.Insects show remarkable adaptability and flexibility in their walking behavior. Although considerable progress has been made in understanding the mechanisms of motor control and central pattern generators, very little is known about how higher order neuronal centers control these motor circuits to determine the walking direction. The objective of the current work was to exploit the power of Drosophila genetics in order to identify these higher order neuronal centers.
The first part of this work focused on generation of an enhancer GAL4 library which would enable targeting small populations of neurons in the Drosophila melanogaster nervous system. This GAL4 library was used to conduct screens for flies in which walking direction is altered upon activation or silencing of specific neurons. These screens employ either the thermosensitive cation channel dTrpA1 or tetanus toxin light chain (TNT), respectively, which are expressed in subsets of neurons using the enhancer GAL4 lines. Several GAL4 lines have been identified in each screen, some in both, that result in altered walking direction without a dramatic effect on the coordination or pace of walking. Further work was focused on lines that label neurons which on activation induce backward walking, and on silencing abolish backward walking. Using intersectional genetics and stochastic labeling approaches, it was possible to pinpoint specific neurons involved in backward directed walking. The last part of the work focused on systematically analyzing behavioral data from the silencing screen and resulted in providing a foundation for finding additional neurons involved in backward and forward directed walking.
Thus, in this project, potential higher order neurons responsible for directional control of walking could be identified. These studies provide an entry point into mapping and ultimately characterizing the neuronal circuitry responsible for higher order control of walking behavior in Drosophila melanogaster
