Chemorezeption im Seeringelwurm Platynereis dumerilii : Anatomie, Physiologie, Verhalten
Chemosensation in the marine annelid Platynereis dumerilii: anatomy, physiology, behaviour
Chimiosensation chez l'annélide marin Platynereis dumerilii : anatomie, physiologie, comportement
Résumé
Die Perzeption von chemischen Stimuli ist die Grundlage für eine Vielzahl an tierischen Verhaltensweisen. Durch den Vergleich von chemosensorischen Systemen wurde eine große Vielfalt von Organen, neuronalen Schaltkreisen und vor allem von Rezeptoren entdeckt. Obwohl eine Vielfalt an Mechanismen konserviert ist, ist es bis jetzt unklar wie sich die Chemorezeption im Laufe der Evolution entwickelt hat. Neue Modellorganismen sind nötigt, um diese Entwicklung besser nachvollzuziehen zu können. Der Borstenwurm Platynereis dumerilii (Nereididae, Polychaeta, Annelida, Lophotrochozoa) ist ein Modellorganismus in der evolutionären Entwicklungsbiologie und Neurobiologie. Im Allgemeinen ist der Kopf von Seeanneliden mit vielen Sinnesorganen augestattet, die laut anatomischen Studien als chemosensorisch betrachtet werden. So überraschend es klingen mag, für diesen aus ökologischen Sicht wichtigen Stamm ist die Chemosensitivität von diesen prominenten Organen noch durch keine physiologische Befunden gestützt. Da bisher keine geeignete Versuchsmethode vorhanden war, wurde durch physiologische Experimente vor allem die Reaktion auf Lichtreize und mechanische Stimuli untersucht. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die anatomische Beschreibung und physiologische Charakterisierung von chemosensorischen Systemen in Platynereis, sowie die Etablierung von Mikrofluidik basierenden Methoden zur funktionellen Bildgebung von chemischen Stimulierungen bei Verhaltensexperimente. Die 6 Tage alten Larve (6dpf, days-post-fertilization) wurde hierfür gewählt, da die meisten anatomischen Strukturen der adulten Tiere schon ausgebildet sind und für dieses Stadium zudem ein Genexpressionsatlas erstellt wurde, der den Vergleich von Zelltypendentitäten zwischen Spezies auf der molekularen Ebene ermöglicht. Die schrittweise Umwandlung des runden larvalen Kopfes in den komplexen Kopf der adulten Tiere wurde durch anatomische Studien der Sinnesorganen von Platynereis in verschiedenen Entwicklungsstufen dokumentiert. Neuroanatomische Färbungen der Sinnesorgane der 6 Tage alten Larve haben die Präsenz von verschiedenen Organarchitekturen, Innervationsweise und Sinneszelltypen aufgedeckt. Außerdem wurde für die 6 Tage alte Larve eine anatomische Beschreibung der Lage von Nerven und sensorischen Ganglien gegeben, die Grundlage für folgende in vivo Studien darstellt. Nachdem ich eine neue Mikrofluidik-basierte Methode für kopfweite Calcium-Bildgebung durch Konfokalmikroskopie aufgestellt hatte, habe ich die Physiologie der mutmaßlich chemosensorischen Organe in der 6 Tage alten Larve getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Antennen, und nicht die Nuchalorgane, wahrscheinlich das zentrale chemosensorische Organ von Platynereis sind. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Nuchalorgane und die Palpen tatsächlich chemosensorische Eigenschaften haben, sowie die tentakulären Cirren, wenn auch in geringerem Ausmaß. Eine prominente, fluktuierende Calcium-Aktivität wurde im Apikalorgan beobachtet, jedoch ohne deutliche Verbindung mit den chemischen Stimuli. Des Weiteren wurden neue Elemente des chemosensorischen Systems beschrieben, einschließlich Sinneszellen und Interneurone. Diese Ergebnisse legen die Grundlage für das Verständnis der chemischen Wahrnehmung. Es wurde teilweise nachgewiesen, dass die Pilzkörper (Mushroom Bodies) in diesem chemosensorischen System in der 6 Tage alten Larve involviert sind. Dieses Beobachtung fördert die weitere Untersuchung von assoziativen Lernfähigkeiten im Zusammenhang mit chemischen Stimuli. Um die Auswirkung von spezifischen chemischen Reizen auf dem larvalen Verhalten zu untersuchen, wurden zusätzliche Mikrofluidik-Plattformen entwickelt, in denen sich die Larven in raum-zeitlich kontrollierten chemiksche Reizen frei bewegen. Bei dem test von Substanzen wie Chinin has sich ergeben, daß diese einen aversiven Reiz auslösen, undzwar sogar mit stereotypischen Vermeidungsverhalten, und daher passende unbedingte Stimuli darstellen in der Perspektive eines Versuchs für assoziatives Lernen. 1-butanol hingegen konnte als neutraler Stimulus identifiziert werden. Dank dieser Ergebnisse ist jetzt ein geeigneter Versuchsaufbau für die quantitative Untersuchung von Verhaltensmodifizierungen von Platynereis etabliert. Diese Arbeit legt eine Basis für die weitere Studien zur chemosensorischen Perzeption in Platynereis. Sie liefert Informationen über die Physiologie der Sinnesorganen in Polychäten und hat gezeigt, das Mikrofluidik für physiologische und Verhaltensversuche in larvalen Stadien geeignet ist. Zudem deuten die Ergebnisse auf ein breites Verhaltensrepertoire von marinen Invertebratenlarven hin. Die Verarbeitung von chemischen Stimuli in Anneliden sist neuer Aufmerksamkeit würdig, sowohl für die vergleichende Studie von Sinnesystemen als auch für das Verständnis von assoziativen Lernfähigkeiten.
Chemical stimuli are omnipresent in driving all kinds of animal behaviours. The comparative study of chemosensory systems has revealed a wide variety of organs, neuronal circuits, and above all of receptor proteins. Despite some conserved features, no clear picture has emerged yet about the origins of chemoreception, and new animal models are needed to understand its evolutionary history. The marine worm Platynereis dumerilii (Nereididae, Polychaeta, Annelida, Lophotrochozoa) is a model system for evolutionary developmental biology, and recent achievements have revealed its potential for neurobiology. The head of marine annelids is generally equipped with abundant sensory appendages, chemosensory based on numerous morphological descriptions. Surprising as it may seem for this ecologically important phylum, there exists still no direct physiological proof of chemosensitivity in these prominent organs. Moreover, in the absence of appropriate assay systems, physiological experiments in Platynereis have so far concentrated on photic and mechanical stimuli. The aim of this thesis was the description and physiological study of chemosensory systems in Platynereis, as well as the establishment of microfluidics-based methods to enable functional imaging and behavioural assays upon chemical stimulations. The 6-days-post-fertilisation larval stage (6dpf), at which most adult anatomical structures are already present, has emerged as a powerful stage for cross-species comparisons of cell types, thanks notably to a unique whole-body atlas of gene expression. It was thus chosen as a target stage for the study of chemosensation. An anatomical investigation of Platynereis head appendages at various stages has allowed to better understand how the hemispheric head of larvae transforms into the complex, appendage-rich head of juveniles and adults. Neuroanatomical stainings have confirmed the presence already at 6dpf of different architectures, innervation patterns, and sensory cell types across appendages. A reference anatomical description has been established at 6dpf to characterise the position of nerves and sensory ganglia, which constitutes a useful basis for in vivo studies. After having developed a microfluidic setup for confocal calcium imaging of the whole head upon chemical stimulations, I have tested the physiology of candidate chemosensory organs in 6dpf animals. These experiments have revealed that antennae, not nuchal organs as thought previously, are probably the main chemosensory organ in Platynereis, that nuchal organs and palps are endowed with chemosensitivity, and that so are tentacular cirri though to a lesser extent. Prominent fluctuating apical organ activity was seen, though not obviously related to chemosensation. Finally, new components of the chemosensory systems have been described based on their activity patterns, including sensory cells and probably interneurons. Based on these results, a first understanding of chemical stimulus detection has emerged. Partial evidence was given that Mushroom Bodies may play a role in these systems at 6dpf, which motivates the study of associative learning in relation with chemical cues. To link chemical stimuli to larval behaviours, additional microfluidic devices have been developed in which freely-moving larvae can be exposed to controlled spatial and temporal patterns of chemical stimuli and their behaviour monitored. In the perspective of establishing an assay for chemosensory associative learning, aversive compounds such as quinine have been tested and found to produce stereotypical avoidance behavioural responses, thus they could be used as unconditioned stimuli in pavlovian assays. A neutral cue identified in functional imaging, 1-butanol, was shown to be a valid candidate as a conditioned stimulus. Thanks to these preliminary results, an experimental setup for quantitative studies of behavioural modifications is now available. Overall, this work has laid a basis for the study of chemosensation in Platynereis, informed about sensory organ physiology in polychaetes, and shown the suitability of microfluidic setups for physiological and behavioural assays at larval stages. It suggests a possibly broad chemosensory repertoire in marine invertebrate larvae. Chemical stimuli in annelids are worth new attention for comparative studies of sensory systems, and in the search for associative learning abilities.
Les stimuli chimiques influencent toutes sortes de comportements animaux. L'étude comparative des systèmes chimiosensoriels a révélé une grande variété d'organes, de circuits neuronaux et surtout de récepteurs protéiques. Bien que certaines caractéristiques soient conservées, aucune image claire n'a encore émergé sur les origines de la chimioréception, et de nouveaux modèles animaux sont nécessaires pour comprendre son histoire évolutive. Le ver marin Platynereis dumerilii (Nereididae, Polychaeta, Annelida, Lophotrochozoa) est un système modèle pour la biologie évolutive du développement, et des résultats récents ont révélé son potentiel pour la neurobiologie. La tête des annélides marins est généralement équipée d'appendices sensoriels abondants, qui seraient chimiosensoriels d'après de nombreuses descriptions morphologiques. Aussi surprenant que cela puisse paraître pour cet embranchement écologiquement important, il n'existe toujours pas de preuve physiologique directe de la chimiosensibilité de ces organes proéminents. De plus, en l'absence de systèmes d'essai appropriés, les expériences physiologiques chez Platynereis se sont jusqu'à présent concentrées sur les stimuli photiques et mécaniques. L'objectif de cette thèse était la description et l'étude physiologique des systèmes chimiosensoriels chez Platynereis, ainsi que l'établissement de méthodes basées sur la microfluidique pour permettre l'imagerie fonctionnelle et les tests comportementaux lors de stimulations chimiques. Le stade larvaire 6 jours après la fécondation (6dpf), auquel la plupart des structures anatomiques adultes sont déjà présentes, s'est révélé être un stade puissant pour les comparaisons inter-espèces des types cellulaires, grâce notamment à un atlas unique de l'expression des gènes sur l'ensemble du corps. Il a donc été choisi comme stade cible pour l'étude de la chimiosensation. Une étude anatomique des appendices de la tête de Platynereis à différents stades a permis de mieux comprendre comment la tête des larves, hémisphérique, se transforme en la tête des juvéniles et des adultes, complexe et riche en appendices. Les marquages neuroanatomiques ont confirmé la présence, dès 6dpf, de différentes architectures, schémas d'innervation et de types de cellules sensorielles dans les appendices. Une description anatomique de référence a été établie à 6dpf pour caractériser la position des nerfs et des ganglions sensoriels, ce qui constitue une base utile pour les études in vivo. Après avoir développé un dispositif microfluidique pour l'imagerie calcique confocale de la tête entière lors de stimulations chimiques, j'ai testé la physiologie des organes chimiosensoriels candidats chez des animaux de 6dpf. Ces expériences ont révélé que les antennes, et non les organes nucaux comme on le pensait auparavant, sont probablement le principal organe chimiosensoriel chez Platynereis, que les organes nucaux et les palpes sont dotés de chimiosensibilité, de même que les cirres tentaculaires bien que dans une moindre mesure. Une significative activité fluctuante des organes apicaux a été observée, bien qu'elle ne soit pas manifestement liée à la chimiosensibilité. Enfin, de nouveaux composants des systèmes chimiosensoriels ont été décrits sur la base de leurs schémas d'activité, notamment des cellules sensorielles et probablement des interneurones. Sur la base de ces résultats, une première compréhension de la détection des stimuli chimiques émerge. Des preuves partielles ont été données que les corps pédonculés peuvent jouer un rôle dans ces systèmes à 6dpf, ce qui motive l'étude de l'apprentissage associatif en relation avec les signaux chimiques. Afin d'établir un lien entre stimuli chimiques et comportements larvaires, des dispositifs microfluidiques supplémentaires ont été mis au point, dans lesquels des larves se déplaçant librement peuvent être exposées à des motifs spatiaux et temporels contrôlés de stimuli chimiques et leur comportement peut être observé. Dans la perspective d'établir un test pour l'apprentissage associatif chimiosensoriel, des composés aversifs tels que la quinine ont été testés et se sont avérés produire des réponses comportementales d'évitement stéréotypées, ils pourraient donc être utilisés comme stimuli non conditionnés dans les tests pavloviens. Un indice neutre identifié par imagerie fonctionnelle, le 1-butanol, s'est révélé être un candidat valable comme stimulus conditionné. Grâce à ces résultats préliminaires, un dispositif expérimental pour des études quantitatives des modifications comportementales est maintenant disponible. Dans l'ensemble, ce travail a jeté les bases de l'étude de la chimiosensation chez Platynereis, a fourni des informations sur la physiologie des organes sensoriels chez les polychètes et a montré la pertinence des montages microfluidiques pour les essais physiologiques et comportementaux aux stades larvaires. Cela suggère un répertoire chimiosensoriel probablement large chez les larves d'invertébrés marins. Les stimuli chimiques chez les annélides méritent une attention nouvelle pour les études comparatives des systèmes sensoriels et pour la recherche de capacités d'apprentissage associatif.
Mots clés
Domaines
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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