Adaptation primärer Afferenzen und Hirnstammneuronen im Seitenliniensystem des Goldfisches, <em>Carassius auratus</em>, auf sequenzielle Reize

Abstract

Weltweit sind ca. 33.000 Fischarten beschrieben, die sich in ihren Lebensraumansprüchen und in ihrer Lebensweise oft deutlich voneinander unterscheiden. Alle bisher beschriebenen Fische und aquatisch lebende Amphibien perzipieren Wasserbewegungen und Druckgradienten entlang ihrer Kopf- und Körperoberfläche über das Seitenliniensystem. Die über das Seitenliniensystem wahrgenomme Information dient den Fischen beispielsweise zur Wahrnehmung und Lokalisation von Fressfeinden, Beutetieren und Artgenossen. Die reizwahrnehmenden Strukturen des Seitenliniensystems sind Oberflächen- und Kanalneuromasten. Eine Innervation der Neuromasten erfolgt über primäre afferente Nervenfasern. Die Antworten primärer Seitenlinienneurone enthalten Informationen über die Dauer, die Frequenz und die Amplitude von Wasserbewegungen. Die afferenten Nervenfasern terminieren ipsilateral in den Medial Octavolateralis Nucleus, ein Kerngebiet im Hirnstamm, das die erste Verarbeitungsebene von Seitenlinieninformationen im zentralen Nervensystem darstellt. In der vorliegenden Arbeit wurde das Antwortverhalten von primären Seitenlinienafferenzen und Neuronen im Medial Octavolateralis Nucleus des Goldfisches, <em>Carassius auratus</em>, elektrophysiologisch untersucht. Die Seitenlinie wurde experimentell mit hydrodynamischen Dipolreizen stimuliert und die neuronalen Antworten auf sequenzielle Reize mit Mikroelektroden extrazellul är abgeleitet. Die Perzeption konstanter oder wiederkehrender Reize, die keine neuen Informationen beinhalten, kann für einen Organismus störend und nachteilig sein. Antworten auf derartige Reize sollten unterdrückt oder gar komplett vermieden werden, damit neu auftretende Umweltreize besser wahrgenommen werden können. Mechanismen, die zu einer reversiblen Anpassung der Empfindlichkeit eines Sinnessystems führen, werden als Adaptation bezeichnet. Adaptation ist eine grundlegende Eigenschaft biologischer Systeme, die in vielfältiger Ausprägung in nahezu allen Sinnessystemen auftritt. Eine Adaptation kann sowohl auf einen einzelnen Reiz als auch auf eine Folge sequenzieller Reize auftreten. Bisher wurde neuronale Adaptation auf sequenzielle Reize im akustischen System vor allem im zentralen Nervensystem beschrieben. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine Adaptation auf sequenzielle Reize bereits in den primären Seitenlinienafferenzen auftrat. Mit zunehmender Reizwiederholrate stieg der relative Anteil adaptierter Seitenlinienafferenzen und adaptierter Neurone im Medial Octavolateralis Nucleus an. Insgesamt zeigten die primären Seitenlinienafferenzen sogar einen höheren relativen Anteil adaptierte Antworten als die Neurone im Medial Octavolateralis Nucleus. Eine Reizänderung führte sowohl in den primären Seitenlinienafferenzen als auch im Medial Octavolateralis Nucleus zu einer Änderung in der Aktivität adaptierter Neurone. Die Antwortstärke auf den veränderten Reize wurde dabei auf einen Referenzreiz, der mit einem groÿen zeitlichen Abstand vor der repetitiven Reizfolge präsentiert wurde, bezogen. Es zeigte sich, dass die Entladungsraten auf die Reizänderung am Ende einer Reizfolge zwar stets höher als die adaptierte Antwortrate der Neurone waren, jedoch niedriger als die ursprüngliche Antwort auf den Referenzreiz. Abhängig von dem Reizabstand, mit dem die Reizänderung im Anschluss an die repetitive Reizfolge präsentiert wurde, nahm die neuronale Antwortst ärke auf diesen Reiz zu. Der in der vorliegenden Dissertation beschriebene Rückgang der Entladungsrate über eine Folge sequenzieller Reize tritt vermutlich als Folge einer Verschiebung des Dynamikbereichs einer Zelle auf. Neben zellbiologischen Prozessen, die auf ganz unterschiedliche Weise die Verfügbarkeit von Neurotransmittern beeinflussen könnten, wurde bisher auch der Einfluss einer efferenten Desensitivierung auf die Adaptation primärer Afferenzen diskutiert. Um efferente Einflüsse auszuschlieÿen, wurde in der vorliegenden Untersuchung der posteriore Seitenliniennerv vor seiner Eintrittstelle in den Hirnstamm durchtrennt und die Antworten primärer Seitenlinienafferenzen untersucht. Die abgeleiteten Antworten auf sequenzielle Reize unterschieden sich nicht von den Antworten, die am intakten Nerv abgeleitet wurden. Die Mechanismen, die der neuronalen Adaptation auf sukzessive Reize zu Grunde liegen, können in der vorliegenden Arbeit nicht geklärt werden, ein Einfluss des efferenten Systems kann anhand der durchgef ührten Experimente jedoch ausgeschlossen werden.

In their aquatic environments fishes and aquatic amphibians can detect minute water movements. Both, the incompressible flow in the near field and propagated pressure waves are detected by the lateral line. The sensory units of the lateral line system are neuromasts that are dispersed over large portions of the body surface. Neuromasts consist of hair cells covered by a gelatinous cupula. Lateral line hair cells are innervated by afferent nerve fibres of the Anterior and Posterior Lateral Line Nerves that project into the Medial Octavolateralis Nucleus. A fundamental property of all sensory systems is adaptation. It is characterized by a decrease in responsiveness to a single constant-amplitude stimulus or to a sequence of repetitive stimuli. Adaptation has been well-studied in nearly all hair-cell based systems of many vertebrates, but has thus far not been systematically investigated in the lateral line system. In the present study neuronal adaptation to successively presented stimuli was investigated in both, primary afferent fibers of the Posterior Lateral Line Nerve and central lateral line units in the Medial Ocatavolateralis Nucleus of goldfish, <em>Carassius auratus</em>. Neuronal responses were recorded extracellular while the lateral line was stimulated with series of successively presented hydrodynamic dipole stimuli generated by a vibrating sphere (diameter 5 mm). First it was investigated, whether the repetition rate of successively presented 100 Hz stimuli affected neuronal responses. Therefore stimulus sequences with Inter Stimulus Intervals of 0, 0.1, 0.5 and 2 s were presented. In response to a series of identical sine wave stimuli, evoked discharge rates of fibers in the Posterior Lateral Line Nerve and units in the Medial Octavolateralis Nucleus either decreased (adapted), did not change or increased with increasing stimulus number. For primary afferent fibers in the Posterior Lateral Line Nerve, both the number of units that exhibited a significant rate decrement and the percentage of rate decrement increased with increasing repetition rate (decreasing Inter Stimulus Intervals) of successive stimuli. The number of units in the Medial Octavolateralis Nucleus that exhibited a rate decrement increased with increasing repetition rate, whereas the percentage of rate decrement increased with decreasing repetition rate. The data show that both fibers in in the Posterior Lateral Line Nerve and lateral line units in the Medial Octavolateralis Nucleus adjust their neural output as a function of stimulus repetition. It was further investigated whether a novel stimulus presented after such a stimulus series can change the adapted firing activity of both, primary afferent fibers in the Posterior Lateral Line Nerve and units in the Medial Octavolateralis Nucleus. Thus, a novel stimulus was presented following a series of repetitive stimuli. Discharge rates of adapted Posterior Lateral Line fibers and units in the Medial Octavolateralis Nucleus in response to a novel stimulus were greater than the adapted firing rate but still lower than in response to a reference stimulus that was presented before the repetive series. In both, primary afferent fibers in the Posterior Lateral Line Nerve and units in the Medial Octavolateralis Nucleus discharge rates in response to a novel stimulus increased with increasing Inter Stimulus Interval. To study the possible effects of efferent fibers on the adaptation to stimulus series, recordings were made from afferent fibers in the Posterior Lateral Line Nerve after cutting the nerve close to the brainstem. In recordings from a severed Posterior Lateral Line Nerve discharge rates decreased across a series of repetitive sine wave stimuli as in an unsevered nerve. It was further investigated whether units in the Medial Octavolateralis Nucleus units show adaptation to a series of noise stimuli. The data showed that units in the Medial Octavolateralis Nucleus showed adaptation to both, a series of ten identical noise stimuli (Inter Stimulus Interval 0.1s; Bandwidth: 0-150 Hz) and to a series of ten noise stimuli with the same bandwidth but each with a different time course (Inter Stimulus Interval 0.1s; Bandwidth: 0-150 Hz). The results of the present study indicate a general adaptive process that underlies the decreased response rate both during repetitive stimulation and to the novel stimulus, i.e., a process that causes a general shift of a units sensitivity that should not be confounded with sensory learning. The underlying mechanisms of adaptation are still unclear. Our data also indicate that adaptation to a stimulus series is not dependent on efferent fibers.