In unserer Forschungsarbeit interessieren wir uns vor allem für die Entwicklung, Plastizität und Evolution des olfaktorischen Systems von Insekten.

Dabei konzentrieren wir uns insbesondere auf die Antennalloben (AL). Die paarigen AL stellen im olfaktorischen System der Insekten die erste zentrale Verschaltstation für Duftreize im Nervensystem dar und gleichen in ihrem Aufbau prinzipiell den ersten olfaktorischen Verarbeitungszentren aller riechenden Tiere (Strausfeld und Hildebrand 1999, Eisthen 2002). Das universelle Prinzip stellen dabei die olfaktorischen Glomeruli dar, kugelige Strukturen, in denen die synaptische Verschaltung zwischen den Fortsätzen der olfaktorischen Rezeptorneurone (ORNs) und den Nervenzellen des zentralen Gehirns stattfindet.
Je nach Tierspezies variiert die Anzahl der Glomeruli, ebenso wie die Anzahl der ORNs und der zentralen Neurone, die in den Glomeruli miteinander interagieren (Eisthen 2002, Schachtner et al. 2005). Funktionelle Untersuchungen vor allem in Wirbeltieren und Insekten zeigen, dass die Glomeruli essentiell an der Duftverarbeitung beteiligt sind, in dem sie die funktionellen Untereinheiten darstellen, in denen die verschiedenen komplexen Düfte wie auf einer Art „Duftkarte“ räumlich und zeitlich abgebildet werden (Axel 1995, Hildebrand und Shepherd 1997, Buck 2000, Voshall et al. 2000, Galizia and Menzel 2001, Korsching 2002, Leon und Johnson 2003).

Als Versuchstiere dienen uns in erster Linie der Tabakschwärmer Manduca sexta, der rote Reismehlkäfer Tribolium castaneum, die Honigbiene Apis mellifera, die Gelbfiebermücke Aedes aegypti und die Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Für vergleichende Untersuchungen kommen zudem Hummeln (Bombus terrestris), ein weiterer Nachtfalter (Heliothis virescens), ein Tagfalter (Caligo eurilochus) aber auch phylogenetisch basalere Insektenarten wie Collembolen, Silberfischchen (Lepisma saccharina) oder Eintagsfliegen (Ephemera danica) zum Einsatz.

Die Antennalloben (AL)

Der AL von M. sexta gelten neben den AL von Drosophila melanogaster sowie dem Bulbus olfactorius der Ratte und des Zebrafisches als eines der Modellsysteme, um die Ontogenie des olfaktorischen Systems zu untersuchen (Hildebrand und Shepherd 1997, Korsching 2002, Leon und Johnson 2003, Tolbert et al. 2004). Unser Interesse zielt dabei in erster Linie auf verschiedene Signalmoleküle wie Stickstoffmonoxid, biogene Amine und Neuropeptide, aber auch auf die Rolle von elektrischer Aktivität und die hormonelle Koordination der verschiedenen Entwicklungsvorgänge. Zudem interessiert uns welchen Einfluss die tatsächliche geruchliche Umwelt (Pheromonkomponenten, „normale“ Düfte) auf das glomeruläre Netzwerk haben. Grundsätzlich gehen wir davon aus, dass Mechanismen, die während der Ontogenie eine Rolle spielen, auch für plastische Vorgänge in der späten Individualentwicklung und im Adulttier von Bedeutung sind.

Entwicklung der AL

Bei holometabolen Insekten wie M. sexta werden die AL während eines definierten postembryonalen Entwicklungsfensters, der Metamorphose gebildet. Bisherige Untersuchungen zeigen, dass die AL Entwicklung in drei Phasen während der Metamorphose verläuft (Oland und Tolbert 1996, Dubuque, Schachtner et al. 2001). In der Vorbereitungsphase (Phase I) werden die neuronalen Komponenten bereitgestellt und über einen bisher unbekannten Mechanismus die Orte festgelegt, an denen dann während Phase II die Glomeruli entstehen.
Phase II, die etwa vier bis fünf Tage dauert, zeichnet sich durch eine hohe Synaptogeneserate aus. Ich gehe davon aus, dass in diesem Zeitfenster die grundlegenden Verschaltungen festgelegt werden, die Ein- und Ausgangsneurone aufeinander abstimmen. Während Phase III differenzieren sich die Glomeruli, indem sie an Größe zunehmen und zum Teil Unterkompartimente bilden (Dubuque, Schachtner et al. 2001). Zudem scheinen die ersten Tage nach dem Adultschlupf, wenn die Tiere zum ersten Mal der realen geruchlichen Umwelt ausgesetzt sind, eine wichtige Rolle bei der Ausdifferenzierung des neuronalen Netzes in den Glomeruli zu spielen (Huetteroth und Schachtner 2005).

Die Vorgänge während der eigentlichen Glomerulibildung (Phase II) werden offensichtlich, wie wir bereits zeigen konnten, vor allem über zwei Mechanismen reguliert: Einerseits durch eine hormonelle (Schachtner et al. 1999, 2004b, Utz und Schachtner 2005) und andererseits durch eine aktivitätsabhängige Komponente (Schachtner et al. 1999). Die hormonelle Komponente stellt das Entwicklungshormon 20-Hydroxyecdyson dar, das den Beginn der Glomerulibildung (Phase II) festlegt (Schachtner et al. 2004b).
Manipulationen des Blutspiegels des Hormons zeigen, dass neben der eigentlichen Glomerulibildung auch die Expression verschiedener Moleküle (z.B. lösliche Guanylatcyclasen, verschiedene Neuropeptide) in AL-Neuronen durch das Hormon beeinflusst werden (Schachtner et al. 1999, Schachtner et al. 2004b, Schachtner 2005, Utz und Schachtner 2005, Utz et al. 2008). Die Aktivitätskomponente bezieht sich auf (spontane) elektrische Aktivität der beteiligten Nervenzellen. Spontanaktivität wurde bisher für die olfaktorischen Rezeptorneurone gezeigt (Oland et al. 1997), wir gehen aber davon aus, dass auch Nervenzellen des AL selbst spontane elektrische Aktivität zeigen.

Verschiedene Signalmoleküle

Ein wichtige Rolle bei der Synapsenbildung scheint dem gasförmigen Signalmolekül Stickstoffmonoxid und dessen Rezeptoren, den löslichen Guanylatcyclasen zuzukommen, da eine pharmakologische Inhibition des Stickstoffmonoxid synthetisierenden Enzyms (NO-Synthase) und der löslichen Guanylatcyclasen zu einer deutlichen Verringerung der Synaptogeneserate führt (Schachtner 2005, und in Vorbereitung). Nach unseren Ergebnissen wird dabei Stickstoffmonoxid aktivitätsabhängig von NO-Synthase in den olfaktorischen Rezeptorneuronen gebildet und kann dann lösliche Guanylatcyclasen in bestimmten Neuronen des Antennallobus aktivieren (Nighorn et al. 1998, Schachtner et al. 1999).
Diese Stickstoffmonoxid sensitiven Neurone erhöhen daraufhin ihre Konzentrationen an cyclischem 3’5’ Guanosinmonophosphat (cGMP, Schachtner et al. 1998, 1999). Die Wichtigkeit des Stickstoffmonoxid/cGMP Signalwegs wird auch durch transiente Erhöhung von Superoxid Dismutase, das die Halbwertszeit von Stickstoffmonoxid erhöht, in den Stickstoffmonoxid sensitiven Neuronen unterstrichen (Schachtner et al. 2004a). Die Frage, welche Zielmoleküle von cGMP beeinflusst werden, gehört zu unseren zukünftigen Projekten. Zielmolekül-Kandidaten sind neben cGMP abhängigen Proteinkinasen und Phosphodiesterasen vor allem cGMP abhängige Ionenkanäle.
Die Expression vieler verschiedener Neuropeptide ist ein gemeinsames Merkmal des AL der Insekten und des Bulbus olfactorius der Wirbeltiere. Um zu untersuchen, inwieweit diese Neuropeptide an der Entwicklung des AL beteiligt sein könnten, haben wir eine genaue Entwicklungskartierung von Neuropeptiden, die drei verschiedenen Peptidfamilien angehören, durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Peptide sowohl von ihrer Lokalisation (vor allem in intrinsischen Neuronen des Antennallobus) als auch von ihrem zeitliche Auftreten (kurz vor und zu Beginn der Glomerulusentwicklung) eine Rolle bei der Entwicklung der Glomeruli spielen könnten (Schachtner et al. 2004b, Utz und Schachtner 2005, Utz et al. 2008).

Da die benutzten Antiseren ganze Neuropeptidfamilien im Gewebe markieren, haben wir begonnen, die einzelnen, tatsächlich vorkommenden Neuropeptide mittels Massenspektrometrie (MALDI-TOF) zu verschiedenen Entwicklungszeitpunkten zu bestimmen (Utz al. 2007). Diese Arbeiten führen wir in Zusammenarbeit mit PD Dr. Reinhard Predel (Universität Jena) und Dr. Christian Wegener (Universität Marburg) durch.

3D Rekonstruktion

Ein Hauptproblem, um Effekte verschiedener Manipulationen auf definierte Neuropilareale wie z.B. den AL untersuchen zu können, ist die Schwierigkeit Änderungen vernünftig zu quantifizieren. Aus diesem Grund haben wir den AL von M. sexta für verschiedene Entwicklungs- und Adultstadien dreidimensional rekonstruiert und für zehn der etwa 60 Glomeruli Standards bezüglich Größe, Form und Lokalisation erstellt (Huetteroth und Schachtner 2005). Auf dieser Basis kann nun der Effekt verschiedener Manipulationen an definierten Glomeruli zu definierten Zeiten untersucht werden. Darüber hinaus sollen die Glomeruli-Standards auf Verzweigungsmuster identifizierter Neurone in den Glomeruli ausgeweitet werden. Dies würde uns dann erlauben, zu untersuchen, welchen Anteil verschiedene Neurontypen an den Neuropilveränderungen haben und uns dadurch weitere Ideen liefern, welche Mechanismen bei Glomerulusentwicklung und Glomerulusplastizität tatsächlich eine Rolle spielen.

MRI (Magnet Resonanz Imaging)

In Zusammenarbeit mit Dr. Thomas Michaelis und Prof. Dr. Jens Frahm von der Biomedizinischen NMR Forschungs GmbH am Max-Planck-Institut für biophysi­kalische Chemie Forschungsinstitut für NMR in Göttingen (Leiter Prof. Dr. Jens Frahm) haben wir begonnen mittels Magnet Resonanz Imaging Gehirnentwicklung nicht invasiv zu studieren. Eine erste Arbeit, die zeigt, dass es prinzipiell möglich ist diese Technik bei unseren verhältnismäßig kleinen Insekten anzuwenden, ist gerade bei Neuroimage erschienen (Michaelis et al. 2005). Aktuelle Arbeiten beschäftigen sich mit der Darstellung von neuronaler Aktivität in vivo während der Entwicklung (Watanabe et al. 2006).

Phylogenie des AL

Bisher wurden die Ergebnisse zur Entwicklung und Plastizität des AL vor allem an Manduca sexta gewonnen. Ein Schwerpunkt unserer zukünftigen Arbeit wird vor allem im Vergleich mit anderen Insekten liegen. Hier haben wir begonnen vergleichende morphologischen und immuncytochemischen Untersuchungen an Arten basaler Insektenordnungen (Zygentoma, Ephemeroptera) durchzuführen (Schachtner et al. 2005, Kollmann et al. 2008).

Methoden

In den Projekten wird eine Vielzahl von Techniken eingesetzt:

Pharmakologische Manipulation, Immuncytochemie auf licht- und elektronenmikroskopischer Ebene, konfokale Laserscanmikroskopie, Westernblot Technik, ELISA, Elektrophysiologie, MALDI-TOF, Ca²⁺ - Imaging, rechnergestützte 3D-Rekonstruktion.

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