Genetic and molecular analysis of habituation in D. melanogaster

Abstract

Habituation is the process that enables salience filtering, precipitating perceptual changes that alter the value of environmental stimuli. To discern the neuronal circuits underlying habituation to brief inconsequential stimuli, we developed a novel olfactory habituation paradigm, identifying two phases of the response that engage distinct neuronal circuits. Responsiveness to the continuous odor stimulus is maintained initially, a phase we term habituation latency, and requires Rutabaga Adenylyl-Cyclase-depended neurotransmission from GABAergic Antennal Lobe Interneurons and activation of excitatory Projection Neurons (PNs) and the Mushroom Bodies. In contrast, habituation depends on the inhibitory PNs of the middle Antenno-Cerebral Track, requires inner Antenno-Cerebral Track PN activation and defines a temporally distinct phase. Collectively, our data support the involvement of Lateral Horn excitatory and inhibitory stimulation in habituation. In parallel, we investigated the neuronal subsets that underlie dishabituation, the instant recovery of naive response after exposure to a novel stimulus. We have demonstrated that exposure to mechanical stimuli results in dishabituation of the olfactory response and we identified two neuronal subsets, the dopaminergic PPL1 and the octopaminergic anterior paired lateral (APL) neurons, which are necessary for response recovery after electric shock stimulation. Innervation of the Mushroom bodies by these neurons and further activation of the Lateral Horn underlines the role of these neuropils in modulation of the response and proposes a novel role for them in dishabituation. Finally, we examined the role of serotonin, which has been linked to various disorders, including schizophrenia and anxiety disorders, in habituation to electric shock. We have demonstrated that serotonin is necessary for normal habituation, and mutations on the serotonergic receptors disrupt this process. Collectively, our results provide essential cellular substrates for future analyses of the molecular mechanisms that govern the duration and transition between the distinct temporal habituation phases, and dishabituation.

Όλοι οι οργανισμοί εκτίθενται καθημερινά σε πληθώρα ερεθισμάτων τα οποία αξιολογούν και στα οποία εν συνεχεία αποκρίνονται. Η εξοικείωση αποτελεί τη βάση της επιλεκτικής προσοχής, καθώς επιτρέπει τη βαθμιαία προσαρμογή της απόκρισης σε μη σημαντικά, επαναλαμβανόμενα ερεθίσματα. Στον άνθρωπο, διαταραχές στην εξοικείωση έχουν συνδεθεί με γνωσιακές δυσλειτουργίες καθώς και με παθήσεις όπως η σχιζοφρένεια, οι διαταραχές του αυτιστικού φάσματος, η Διαταραχή Ελλειμματικής Προσοχής – Υπερκινητικότητας, η οριακή (μεταιχμιακή) διαταραχή προσωπικότητας και οι ημικρανίες. Έχοντας ως στόχο την μελέτη των νευρωνικών υποσυνόλων που εμπλέκονται στην εξοικείωση, στην παρούσα έρευνα αναπτύχθηκε ένα νέο παράδειγμα για τη μελέτη της εξοικείωσης σε οσφρητικά ερεθίσματα στη Drosophila melanogaster. Χρησιμοποιώντας το παράδειγμα αυτό, δείχθηκε ότι η συνεχής ή επαναλαμβανόμενη έκθεση για τέσσερα λεπτά τόσο σε απωθητικές όσο και σε ελκτικές οσμές οδηγεί σε μείωση της απόκρισης η οποία παρουσιάζει όλα τα χαρακτηριστικά της εξοικείωσης. Επιπλέον, καταδείχθηκε ότι η απόκριση διακρίνεται σε δύο στάδια κατά τα οποία επιστρατεύονται διαφορετικά νευρωνικά υποσύνολα. Κατά τη λανθάνουσα περίοδο (habituation latency), όπου η απόκριση στην οσμή διατηρείται, απαιτείται η έκφραση της αδενυλικής κυκλάσης Rutabaga στους ανασταλτικούς τοπικούς διάμεσους νευρώνες των οσφρητικών λοβών, καθώς και η ενεργοποίηση των νευρώνων αυτών, όπως και των διεγερτικών νευρώνων προβολής των οσφρητικών λοβών, και των αβ και α’β’ λοβών των μισχοειδών σωματίων. Αντίθετα, η περίοδος εξοικείωσης η οποία έπεται της λανθάνουσας περιόδου προϋποθέτει την ενεργοποίηση των ανασταλτικών νευρώνων προβολής των οσφρητικών λοβών, οι οποίοι επιστρατεύονται μετά από συνεχόμενη ενεργοποίηση των διεγερτικών νευρώνων προβολής, και είναι ανεξάρτητη της αδενυλικής κυκλάσης Rutabaga. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν έναν πολύ σημαντικό ρόλο για το πλάγιο κέρας (lateral horn), μίας περιοχής του εγκεφάλου απαραίτητης για τις εγγενείς συμπεριφορές στη Drosophila, στη ρύθμιση της απόκρισης σε οσφρητικά ερεθίσματα. Πιο συγκεκριμένα, η ενεργοποίηση της περιοχής αυτής από τα μισχοειδή σωμάτια και τους διεγερτικούς νευρώνες προβολής είναι απαραίτητη για την αποφυγή της πρώιμης εξοικείωσης και τη διατήρηση της απόκρισης κατά τη λανθάνουσα περίοδο, ενώ η καταστολή του πλάγιου κέρατος από τους ανασταλτικούς νευρώνες προβολής μετά από επαρκή έκθεση στο ερέθισμα οδηγεί σε εξοικείωση. Επιπλέον, πειράματα στα οποία πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη έκθεση στην οσμή (τριάντα λεπτά), κατέδειξαν ότι η διάρκεια έκθεσης στο ερέθισμα οδηγεί σε διαφορετικά είδη εξοικείωσης. Η μείωση της απόκρισης μετά από εκτεταμένη έκθεση σε μία οσμή απαιτεί διαφορετικά ερεθίσματα για την επίτευξη απεξοικείωσης και εξαρτάται από τους ανασταλτικούς νευρώνες προβολής του οσφρητικού λοβού και όχι από τους ανασταλτικούς νευρώνες προβολής, ενώ η έκφραση της αδενυλικής κυκλάσης Rutabaga που είναι επουσιώδης κατά την εξοικείωση μετά από μικρό διάστημα έκθεσης στο ερέθισμα, είναι απαραίτητη για τη μείωση της απόκρισης που ακολουθεί την εκτεταμένη έκθεση στην οσμή. Παράλληλα με τα πειράματα μελέτης της εξοικείωσης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα απεξοικείωσης ώστε να εξεταστούν τα νευρωνικά υποσύνολα που διέπουν αυτήν την διεργασία. Η απεξοικείωση, η οποία αποτελεί τη στιγμιαία επανάκτηση της αρχικής απόκρισης μετά από έκθεση του ατόμου σε ένα νέο, ανεξάρτητο ερέθισμα, είναι μία διεργασία ελάχιστα μελετημένη και λίγα είναι γνωστά για τους μηχανισμούς που εμπλέκονται σε αυτήν. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι η ενεργοποίηση δύο νευρωνικών υποσυνόλων, των ντοπαμινεργικών PPL1 νευρώνων και των οκτοπαμινεργικών πρόσθιων συζευγμένων πλευρικών (APL) νευρώνων είναι απαραίτητη και επαρκής για τη φυσιολογική απεξοικείωση μετά από έκθεση σε ηλεκτρικό ερέθισμα. Οι νευρώνες αυτοί δημιουργούν συνάψεις με τους νευρώνες των μισχοειδών σωματίων οι οποίοι μεταφέρουν περαιτέρω την πληροφορία στους νευρώνες του πλάγιου κέρατος, καταδεικνύοντας το βασικό ρόλο της ενεργοποίησης αυτών των περιοχών στην επανάκτηση της απόκρισης στο ερέθισμα που πραγματοποιείται κατά την απεξοικείωση.Τέλος, μελετήθηκε ο ρόλος των σεροτονεργικών υποδοχέων στην εξοικείωση με πειράματα εξοικείωσης σε ηλεκτρικό ερέθισμα. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν το ρόλο της σεροτονίνης στη διεργασία αυτή, καθώς μεταλλάξεις σε σεροτονεργικούς υποδοχείς προκαλούν ελλειμματική εξοικείωση στο ηλεκτρικό ερέθισμα. Συγκεντρωτικά, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης αποσαφηνίζουν το ρόλο διαφορετικών νευρωνικών υποσυνόλων στην προσαρμογή της απόκρισης σε ένα ερέθισμα κατά την εξοικείωση και την απεξοικείωση, και παρέχουν το υπόβαθρο για περαιτέρω μελέτες με στόχο την ταυτοποίηση των μοριακών μηχανισμών που διέπουν τις διεργασίες αυτές.