Analyse neuronaler Veränderungen beim Übergang zwischen reproduktivem Lebenszyklus und Dauer-Stadium in C. elegans

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Dandekar; Professor Dr. Philip Kollmannsberger; Professor Dr. Christian Stigloher
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495531075

Um zu verstehen, wie sich Änderungen in der neuronalen Signalübertragung auf das Verhalten auswirken, müssen die molekularen Details der neuronalen Kommunikation mit der neuronalen Konnektivität kombiniert werden. Ein idealer Organismus, um zu untersuchen, wie neuronale Vernetzung und Funktion verbunden sind, ist der Fadenwurm C. elegans. Im Vergleich zu Wirbeltieren oder Insekten ist sein Nervensystem viel einfacher, aber dennoch komplex genug, um eine Reihe interessanter und funktional unterschiedlicher motorischer Verhaltensweisen zu erzeugen. Darüber hinaus können Nematoden einen einzigartigen und reversiblen Entwicklungsübergang in das Dauer-Stadium durchlaufen, der radikale Änderungen des Körperbaus und Verhaltens mit sich bringt. Wir wollen die Frage beantworten, wie neuronale Umbauvorgänge während Entwicklungsübergängen bei Nematoden die motorische Funktion beeinflussen. Dies erfordert i) hochauflösende ultrastrukturelle Bildgebung zur Identifizierung von Unterschieden im Nervensystem zwischen Dauer- und Erwachsenenstadium, ii) ein detailliertes funktionelles neuronales Netzwerkmodell auf Zell- und Systemebene und iii) quantitative Verhaltensexperimente zur Validierung der Vorhersagen des Netzwerkmodells, und um verschiedene Hypothesen zu testen. Wir haben in Zusammenarbeit mit der Schwab-Gruppe am EMBL Heidelberg einen vollständigen FIB-SEM-Datensatz (Focused Ion Beam - Rasterelektronenmikroskopie) des zentralen Nervensystems sowie der anterioren sensorischen Organe von C. elegans Dauerstadien aufgenommen und das Konnektom in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Dr. Mei Zhen an der Universität von Toronto manuell annotiert. In Vorbereitung für das Projekt haben wir automatisierte Bildanalysewerkzeuge zur Quantifizierung des Pools synaptischer Vesikel in Elektronentomogrammen entwickelt und künstliche neuronale Netze trainiert, um Zellmembranen und -kerne in FIB-SEM-Daten zu erkennen. Wir werden diese Werkzeuge verfeinern und mit Algorithmen zur Zell- und Netzwerkmorphologie basierend auf Arbeiten von P. Kollmannsberger kombinieren, um sie dann auf neu erfasste Bilddatensätze anzuwenden. Anschließend werden wir die von der Dandekar-Gruppe entwickelten Netzwerkmodelle anpassen und dazu verwenden, um anhand dieser Daten Unterschiede im motorischen Verhalten zwischen Dauerlarven und adulten Stadien vorherzusagen. Schließlich werden wir die Modellvorhersagen zum Verhalten experimentell mit einem Videomikroskopie-System explorieren. Die Erkenntnis, wie sich das Nervensystem der Nematoden während des schnellen Übergangs zwischen normalen und Dauer-Stadien verändert, könnte viele ungelöste Fragen der neuronalen Entwicklung und Plastizität beantworten und zu einem besseren Verständnis der biologischen Strategien zum Überleben in Extremsituationen im Allgemeinen führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen