The Control of Food Intake and Bitter Taste Information Processing in the <em>Drosophila</em> Larval Brain

Abstract

The regulation of feeding behavior by central neural circuits is crucial for every organism to survive. Hierarchical organized motor systems are responsible for the execution of appropriate feeding movements and can be subdivided into higher brain centers modulating the activity of central pattern generators (CPGs), which in turn control the activity of motor neurons. Motor neurons innervate muscles whose contractions lead to the final behavioral outcome. Focus of this thesis was the deconstruction of feeding regulatory elements like motor neurons innervating the muscles specific for the Drosophila larval feeding cycle and neural populations modulating their activity. Emphasis relied on the functional relevance for the Hugin neuropeptide concerning feeding behavior and taste processing. <br /> We show that motor neurons comprising the larval feeding movements are located in the subesophageal zone (SEZ) of the larval central nervous system (CNS) and that the CPG driving neural activity of the motor neurons is located in the same brain area. Serotonergic neurons located in the nearby area of feeding related motor neurons project through the enteric nervous system to the gut. Functional analysis of these neurons revealed that brain derived serotonin plays a functional role in modulating foregut motility and we suggest that this serotonergic cluster consisting of four neurons is part of a brain-gut pathway functionally analogous to the mammalian vagus nerve. Manipulating the activity of other central neural populations expressing neuropeptides or neurotransmitters revealed that the different neural populations regulate all or distinct motor subprograms for feeding. Serotonergic neurons acted as general activator of all analyzed motor programs. Dopaminergic neurons and neurons expressing the Hugin neuropeptide inhibited specifically the motor pattern of the antennal nerve, whose efferent motor output is most dedicated to food intake by generating contractions of the cibarial dilator muscles (CDM). <br /> The detailed analysis of the 20 Hugin neurons revealed that a subset of 16 cells (Hugin^0.8) is responsible for the inhibition of food intake and wandering like behavior from an appetitive food source. The remaining four Hugin neurons (Hugin^VNC) were responsible for an increase in locomotive motor programs. Taken together, activation of the 20 Hugin neurons in the larval CNS leads to regulation of two mutually exclusive behaviors, inhibition of feeding and induction of locomotion. Having been proposed as gustatory interneurons earlier, we suggested that Hugin neurons act as bitter gustatory interneurons in the larval brain. This was verified by classical two-choice experiments, in which ablation of Hugin neurons resulted in animals no longer showing appropriate aversion to bitter substrates. With the generation of a specific Gal4 line, that exclusively labels eight Hugin neurons (Hugin^PC), projecting to the protocerebrum, it was possible to pinpoint observed effects of the Hugin neurons like feeding inhibition, wandering like behavior and impairment of bitter taste processing to these neurons. Using a new method of calcium imaging, called CaMPARI (<u>Ca</u>lcium <u>M</u>odulated <u>P</u>hotoactivatable <u>R</u>atiometric <u>I</u>ntegrator), we could show that the Hugin^PC neurons are selectively activated when larvae taste bitter substances. Furthermore, artificial activation of neurons expressing the bitter receptor GR66a led to rhythmic calcium activity in the Hugin^PC neurons. We suggest that the HuginPC neurons act as second order interneurons for bitter taste in Drosophila larvae. The mammalian homolog of Hugin is Neuromedin U (NMU). Pleiotropic roles have been assigned to this neuropeptide in regulating core biological processes like feeding and locomotion. Therefore, the new findings about the role of the Hugin neuropeptide might serve to gain insights into functional aspects of NMU regarding a role in taste processing.

Die Regulation der Nahrungsaufnahme durch zentrale neuronale Schaltkreise ist überlebenswichtig für jeden Organismus. Hierarchisch organisierte Motorsysteme sind verantwortlich für die adäquate Ausführung von Fressbewegungen und können in verschiedene Kontrolleinheiten unterteilt werden. Höhere Hirnzentren regulieren die Aktivität von zentralen Mustergeneratoren (ZMG), welche ihrerseits die Aktivität von Motoneuronen steuern. Die Motoneurone innervieren Muskeln, deren koordinierte Kontraktionen zum finalen Verhaltensprogramm führen. Der Fokus dieser Arbeit lag in der Analyse von regulatorischen Elementen der Nahrungsaufnahme in Larven der Taufliege Drosophila melanogaster. Die Motoneurone, welche für die Bewegungen der Nahrungsaufnahme verantwortlich sind, sollten identifiziert und zentrale Neuronenpopulationen, welche die Motoneurone modulieren, näher untersucht werden. Hauptaugenmerk der hier vorgestellten wissenschaftlichen Arbeit lag auf dem Neuropeptid Hugin für das eine funktionelle Relevanz bei der Modulation der Nahrungsaufnahme, sowie eine Rolle bei der zentralen Geschmacksverarbeitung erarbeitet werden sollte. <br /> In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass sich die für die Nahrungsaufnahme verantwortlichen Motoneurone im suboesophagealen Ganglion (SOG) des larvalen zentralen Nervensystems (ZNS) befinden. Der zentrale Mustergenerator, dem die Aktivität der Motoneurone zugrunde liegt konnte ebenfalls im SOG lokalisiert werden. Serotonerge Neurone, welche sich in räumlicher Nähe zu den für die Nahrungsaufnahme relevanten Motoneuronen liegen, projizieren durch das enterische Nervensystem zum Darm. Eine funktionelle Untersuchung dieser Neurone konnte zeigen, das Serotonin, welches im Gehirn produziert wird, eine Rolle bei der Vorderdarmbewegung spielt. Wir schlagen vor, dass diese identifizierten vier serotonergen Neurone Teil eines Gehirn-Darm Signalsystems sind, welche funktionell analog zum Vagus-Nerv bei Säugetieren agiert. Die Manipulation anderer zentraler Neuronenpopulationen, welche Neuropeptide oder Neurotransmitter ausschütten, ergab, dass bestimmte Neuronenpopulation alle oder spezifische Motorsubprogramme der Nahrungsaufnahme modulieren. Serotonerge Neurone agierten in dieser Studie als genereller Aktivator aller untersuchten Motorprogramme. Dopaminerge Neurone und Neurone, welche das Neuropeptid Hugin freisetzen inhibierten spezifisch die Aktivität des Antennalnervs, dessen efferente Motoreinheiten exklusiv der Nahrungsaufnahme durch Kontraktion der cibarialen Dilatormuskulatur (CDM) dienen. <br /> Die detaillierte Untersuchung der 20 Hugin Neurone konnte zeigen, dass 16 dieser Neurone (Hugin^0.8) verantwortlich für die Inhibition der Nahrungsaufnahme sind, als auch für das aktive Verlassen einer appetitiven Futterquelle. Die verbleibenden vier Hugin Neurone (Hugin^VNC), welche zum ventralen Nervensystem der Larve projizieren, waren für eine Erhöhung des Motorprogramms für die Fortbewegung verantwortlich. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass die Aktivität der Hugin Neurone im ZNS zwei gegensätzliche exklusive Verhaltensweisen steuert: Inhibition der Nahrungsaufnahme und Zunahme von Lokomotion. Hugin Neurone wurden schon früher als gustatorische Interneurone bezeichnet, die möglicherweise an der Geschmacksverarbeitung von Bitterstoffen beteiligt sind. Der Beweis erfolgte durch Ablation der Hugin Neurone. Die Ablation führte zu einem veränderten Entscheidungsverhalten bei Larven, die nun bittere Substrate nicht mehr adäquat vermieden. Durch die Verwendung einer spezifischen GAL4 Linie, welche nur in den acht Hugin Neuronen exprimiert wird, die zum Protocerebrum der Larven projizieren (Hugin^PC Neurone), konnte die Anzahl der für diesen Effekt verantwortlichen Neurone genau bestimmt werden. Manipulation der Hugin^PC Neurone führte zu den gleichen Phänotypen, die auftreten, wenn alle Hugin Neurone aktiviert oder inaktiviert werden, nämlich Inhibition der Nahrungsaufnahme, verstärktes Wanderverhalten und beeinträchtigte Verarbeitung des Bittergeschmacks. Durch die Anwendung einer neuen Methode zur Messung der Kalzium Aktivität in Neuronen (CaMPARI), konnten wir zeigen, dass die Hugin^PC Neurone selektiv durch bitter schmeckende Substanzen aktiviert werden. Eine künstliche Aktivierung von Neuronen, die den Bitter-Rezeptor GR66a exprimieren, führte zu rhythmischer Kalzium abhängiger Aktivität der hugin^PC Neurone. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass die Hugin^PC Neurone als gustatorische Interneurone für die Verarbeitung von Bittergeschmack dienen. <br /> Für das Säugetier-Homolog von Hugin - das Neuropeptid Neuromedin U (NMU) - wurden verschiedene Funktionen in physiologischen Prozessen wie der Regulation der Nahrungsaufnahme und Lokomotion identifiziert. Eine Funktion bei der Geschmacksverarbeitung wurde bisher jedoch nicht beschrieben. Somit könnten die hier gewonnenen Erkenntnisse über die Funktion der Hugin Neurone genutzt werden um weitere funktionelle Aspekte von NMU hinsichtlich einer Rolle bei der Geschmacksverarbeitung in Säugern zu untersuchen.