Synaptische Konnektivität im Pilzkörper Kalyx in Drosophila melanogaster

Learning and memory is considered to require synaptic plasticity at presynaptic specializations of neurons. Kenyon cells are the intrinsic neurons of the primary olfactory learning center in the brain of arthropods – the mushroom body neuropils. An olfactory mushroom body memory trace is supposed to be located at the presynapses of Kenyon cells. In the calyx, a sub-compartment of the mushroom bodies, Kenyon cell dendrites receive olfactory input provided via projection neurons. Their output synapses, however, were thought to reside exclusively along their axonal projections outside the calyx, in the mushroom body lobes. By means of high-resolution imaging and with novel transgenic tools, we showed that the calyx of the fruit fly Drosophila melanogaster also comprised Kenyon cell presynapses. At these presynapses, synaptic vesicles were present, which were capable of neurotransmitter release upon stimulation. In addition, the newly identified Kenyon cell presynapses shared similarities with most other presynapses: their active zones, the sites of vesicle fusion, contained the proteins Bruchpilot and Syd-1. These proteins are part of the cytomatrix at the active zone, a scaffold controlling synaptic vesicle endo- and exocytosis. Kenyon cell presynapses were present in γ- and α/β-type KCs but not in α/β-type Kenyon cells. The newly identified Kenyon cell derived presynapses in the calyx are candidate sites for an olfactory associative memory trace. We hypothesize that, as in mammals, recurrent neuronal activity might operate for memory retrieval in the fly olfactory system. Moreover, we present evidence for structural synaptic plasticity in the mushroom body calyx. This is the first demonstration of synaptic plasticity in the central nervous system of Drosophila melanogaster. The volume of the mushroom body calyx can change according to changes in the environment. Also size and numbers of microglomeruli - sub-structures of the calyx, at which projection neurons contact Kenyon cells – can change. We investigated the synapses within the microglomeruli in detail by using new transgenic tools for visualizing presynaptic active zones and postsynaptic densities. Here, we could show, by disruption of the projection neuron - Kenyon cell circuit, that synapses of microglomeruli were subject to activity-dependent synaptic plasticity. Projection neurons that could not generate action potentials compensated their functional limitation by increasing the number of active zones per microglomerulus. Moreover, they built more and enlarged microglomeruli. Our data provide clear evidence for an activity-induced, structural synaptic plasticity as well as for the activity-induced reorganization of the olfactory circuitry in the mushroom body calyx.Synaptische Plastizität an den präsynaptischen Spezialisierungen von Neuronen sind nach allgemeinem Verständnis die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse. Kenyon Zellen sind die intrinsischen Zellen des Zentrums für olfaktorisches Lernen im Gehirn von Arthropoden – den Pilzkörper Neuropilen. An den Präsynapsen der Kenyon Zellen wird eine olfaktorische Gedächtnisspur vermutet. Im Kalyx, einer Substruktur der Pilzkörper, erhalten die Kenyon Zell Dendriten ihren olfaktorischen Input durch Projektionsneurone. Ihre Präsynapsen wiederum befinden sich ausschließlich in ihren axonalen Kompartimenten außerhalb des Kalyx, nämlich in den Loben der Pilzkörper. Mit Hilfe von hochauflösenden bildgebenden Techniken und neuen transgenen Methoden, ist es uns in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster gelungen, Kenyon Zell Präsynapsen im Kalyx zu identifizieren. Diese Präsynapsen enthalten synaptische Vesikel, die nach Stimulation ihren Inhalt freisetzen können. Sie weisen noch weitere Gemeinsamkeiten mit den meisten anderen Präsynapsen auf: Ihre Aktiven Zonen, die Orte der Transmitterfreisetzung, enthalten die Proteine Bruchpilot und Syd-1. Diese sind Teil der Zytomatrix an der Aktiven Zone, ein Proteingerüst das Endo- und Exozytose der synaptischen Vesikel kontrolliert. Die Präsynapsen im Kalyx wurden in γ- and α/β-Typ Kenyon Zellen aber nicht in α/β-Typ Kenyon Zellen gefunden. Die neu identifizierten Kenyon Zell Präsynapsen beherbergen potentiell eine Gedächtnisspur für olfaktorisch assoziatives Lernen. Möglicherweise wird im olfaktorischen Nervensystem von Fruchtfliegen rücklaufende neuronale Aktivität benötigt, um Gedächtnis abzurufen, so wie es auch für Säuger beschrieben ist. Darüber hinaus zeigen wir synaptische Plastizität im Kalyx. Dies ist die erste Beschreibung überhaupt von synaptischer Plastizität im zentralen Nervensystem von Drosophila melanogaster. Das Volumen des Kalyx kann sich als Antwort auf äußere Einflüsse verändern. Genauso auch Größe und Anzahl der Mikroglomeruli, Substrukturen des Kalyx, in denen Projektionsneurone und Kenyon Zellen aufeinander treffen. Wir untersuchten die Synapsen in Mikroglomeruli detailliert, mithilfe von neuen transgenen Methoden, die es erlauben, präsynaptische Aktive Zonen sowie Postsynaptische Spezialisierungen zu visualisieren. Mittels Beeinträchtigung der Kommunikation zwischen Projektionsneuronen und Kenyon Zellen, konnten wir synaptische Plastizität in Mikroglomeruli zeigen. Projektionsneurone, die nicht in der Lage waren, Aktionspotentiale zu erzeugen, kompensierten ihre funktionelle Einschränkung durch den vermehrten Einbau von Aktiven Zonen in Mikroglomeruli. Außerdem produzierten sie mehr und vergrößerte Mikroglomeruli. Unsere Daten zeigen deutlich eine aktivitätsinduzierte Veränderung des olfaktorischen neuronalen Netzes, sowie strukturelle synaptische Plastizität im Kalyx