Mechanisms and functions of adaptation in the D. melanogaster olfactory system

Abstract

Animals must navigate an ever-changing world in order to survive and reproduce. Plasticity endows sensory systems with the required flexibility to deal with changes on many different timescales and maintain robust outcomes. This is only possible if a balance between plasticity and robustness is achieved. To address this interplay, I studied two instances of plasticity in the olfactory system of Drosophila melanogaster: lifelong developmental plasticity and short-term stimulus-driven plasticity (adaptation). In both contexts, I focused on the antennal lobe. In this neuropil that constitutes the first sensory relay of the olfactory system, the combinatorial odor representation that relies on multiple olfactory receptor neuron (ORN) types emerges and is modulated by a network of local neurons that are mainly GABAergic. The first manuscript reviews the current literature on adaptation at the periphery of the olfactory system, setting a starting point for my work. Here, we compare adaptation to a constant background in vision to olfaction. Photoreceptors and ORNs both have background-dependent responses, but they show different strategies for adaptation, endowing the former with contrast sensitivity at the single neuron level but not the latter. Surprisingly, ORN firing rate adaptation is undone in the antennal lobe and ORN presynaptic calcium responses are background invariant. In the second manuscript, which is the main outcome of my work, I set out to investigate the molecular and circuit mechanisms that undo firing rate adaptation at the ORN output synapses and to understand the role of this transformation for odor coding. First, through optogenetic activation of a single ORN type, I found that multi-glomerular activation is not required for background-invariant responses in a single glomerulus. This experiment also confirmed previous observations that background invariance is asymmetric – it is only observed for ON stimuli (increases in concentration compared to the background). Then, I confirmed that ORN synaptic output is required by silencing specific ORN types and measuring presynaptic calcium transients in these ORNs. Since ORNs are cholinergic, this result was confirmed by pharmacologically blocking acetylcholine receptors. Finally, pharmacological blocking of GABA receptors identified a homeostatic feedback circuit that likely involves local neurons and achieves asymmetric background invariance in ORN axon terminal calcium responses. Interestingly, modelling of ORN responses shows that this feedback inhibition results in background-invariant presynaptic ORN responses only if single ORNs adapt differently from photoreceptors, by decreasing their response rather than shifting their sensitivity. When assessing the functional output of the antennal lobe, postsynaptic projection neuron (PN) responses, I found that they are also asymmetric background invariant. By testing a gain-of-function mutation that abolishes calcium-dependent synaptic plasticity in the active zone protein Unc13, I found that background invariance in PNs requires synaptic plasticity. Lastly, modelling of PN responses indicates that these novel functions of olfactory processing in the antennal lobe enable downstream circuits to drive background-robust odor-specific behaviors while tuning odor coding to ON stimuli, which are more behaviorally relevant. In the third manuscript, I investigated how developmental plasticity affects odor coding in the antennal lobe. Changing the developmental temperature has been shown in our lab to substantially alter the wiring of the olfactory system, allowing us to probe developmental plasticity. I found that odor coding in PNs was not altered by the differences in connectivity induced by developmental temperature, suggesting a balance between excitatory and inhibitory pathways that ensures odor coding stability across environmental conditions. Overall, I have found surprising robustness of odor representations in the antennal lobe, both in the face of different odor backgrounds and of differences in wiring caused by changes in developmental temperature. My work suggests that robustness in this neuropil is actively maintained and implicates local neurons in this process, warranting and providing a framework for further research into this network of functionally and anatomically diverse neurons.

Tiere müssen sich in einer immerzu verändernden Umwelt zurechtfinden, um zu überleben und sich fortzupflanzen. Plastizität verleiht den Sinnesorganen die erforderliche Flexibilität, um mit Veränderungen auf vielen verschiedenen Zeitskalen umzugehen und robuste Ergebnisse aufrecht zu erhalten. Dies ist nur möglich, wenn ein Gleichgewicht zwischen Plastizität und Robustheit erreicht wird. Um diese Wechselwirkung zu untersuchen, habe ich zwei Fälle von Plastizität im Geruchssystem von Drosophila melanogaster untersucht: lebenslange Entwicklungsplastizität sowohl kurzfristige, durch Reize ausgelöste Plastizität (Adaptation). In beiden Kontexten habe ich mich auf den Antennallobus konzentriert. In diesem Neuropil, der die erste sensorische Relaisstation des Geruchssystems bildet, entsteht eine kombinatorische Geruchsrepräsentation, die auf mehreren Arten von Geruchsrezeptorneuronen (ORN) beruht und durch ein Netzwerk lokaler, überwiegend GABAerger Neuronen moduliert wird. Das erste Manuskript gibt einen Überblick über die aktuelle Literatur zur Adaptierung in der Peripherie des Geruchssystems und bildet den Ausgangspunkt für meine Arbeit. Hier vergleichen wir die Anpassung an einen konstanten Hintergrund im Sehen mit der Anpassung im Geruchssinn. Photorezeptoren und ORNs haben beide hintergrundabhängige Reaktionen, zeigen jedoch unterschiedliche Anpassungsstrategien, wodurch erstere auf der Ebene einzelner Neuronen kontrastempfindlich sind, letztere hingegen nicht. Überraschenderweise wird die Anpassung der ORN-Feuerrate im Antennallobus ungeschehen gemacht, und die präsynaptischen Kalziumreaktionen der ORNs sind hintergrundunabhängig. Im zweiten Manuskript, dass das Hauptergebnis meiner Arbeit darstellt, habe ich mich daran gemacht, die molekularen und schaltkreistechnischen Mechanismen, die die Anpassung der Feuerrate an den ORN-Ausgangssynapsen rückgängig machen zu untersuchen, und die Rolle dieser Transformation für die Geruchskodierung zu verstehen. Zunächst habe ich durch optogenetische Aktivierung eines einzelnen ORN-Typs festgestellt, dass eine multi-glomeruläre Aktivierung für hintergrundunabhängige Reaktionen in einem einzelnen Glomerulus nicht erforderlich ist. Dieses Experiment bestätigte auch frühere Beobachtungen, dass die Hintergrundinvarianz asymmetrisch ist – sie wird nur für ON-Reize (Anstieg der Konzentration im Vergleich zum Hintergrund) beobachtet. Anschließend bestätigte ich, dass synaptische Aktivität der ORN erforderlich ist, indem ich bestimmte ORN-Typen stilllegte und die präsynaptischen Kalziumtransienten in diesen ORNs maß. Da ORNs cholinerg sind, wurde dieses Ergebnis durch die pharmakologische Blockierung von Acetylcholinrezeptoren bestätigt. Schließlich identifizierte die pharmakologische Blockierung von GABA-Rezeptoren einen homöostatischen Rückkopplungskreislauf, der wahrscheinlich lokale Neuronen einbezieht und eine asymmetrische Hintergrundinvarianz in den Calcium-Reaktionen der ORN-Axonenenden erreicht. Interessanterweise zeigt die Modellierung der ORN-Reaktionen, dass diese Rückkopplungshemmung nur dann zu hintergrundinvarianten präsynaptischen ORN-Reaktionen führt, wenn einzelne ORNs sich anders als Photorezeptoren anpassen, indem sie ihre Reaktion verringern, anstatt ihre Empfindlichkeit zu verschieben. Bei der Bewertung des funktionellen Ergebnisses des Antennallobus, Reaktionen der postsynaptischen Projektionsneuronen (PN), stellte ich fest, dass diese ebenfalls asymmetrisch und hintergrundinvariant sind. Durch die Untersuchung einer Funktionsgewinnmutation, die die calciumabhängige synaptische Plastizität im aktiven Zonenprotein Unc13 aufhebt, stellte ich fest, dass die Hintergrundinvarianz in PNs synaptische Plastizität erfordert. Schließlich zeigt die Modellierung der PN-Reaktionen, dass diese neuartigen Funktionen der Geruchsverarbeitung im Antennallobus es den nachgeschalteten Schaltkreisen ermöglichen, hintergrundrobuste geruchsspezifische Verhaltensweisen anzutreiben und gleichzeitig die Geruchskodierung auf ON-Reize abzustimmen, die für das Verhalten relevanter sind. Im dritten Manuskript untersuchte ich, wie sich Entwicklungsplastizität auf die Geruchskodierung im Antennallobus auswirkt. In unserem Labor wurde gezeigt, dass eine Veränderung der Entwicklungstemperatur die Verschaltungen des Geruchssystems erheblich verändert, was uns die Untersuchung von Entwicklungsplastizität ermöglicht. Ich stellte fest, dass die Geruchskodierung in PNs durch die Entwicklungstemperatur induzierten Unterschiede nicht verändert wurde, was auf ein Gleichgewicht zwischen exzitatorischen und inhibitorischen Bahnen hindeutet, welche die Stabilität der Geruchskodierung unter verschiedenen Umweltbedingungen gewährleisten. Insgesamt habe ich eine überraschende Robustheit der Geruchsrepräsentationen im Antennallobus festgestellt, sowohl angesichts unterschiedlicher Geruchshintergründe als auch angesichts von Unterschieden in der Verschaltung, die durch Veränderungen der Entwicklungstemperatur verursacht wurden. Meine Arbeit legt nahe, dass die Robustheit in diesem Neuropil aktiv aufrechterhalten wird und lokale Neuronen an diesem Prozess beteiligt sind, was einen Rahmen für weiterfuehrende Forschung zu diesem Netzwerk funktionell und anatomisch vielfältiger Neuronen rechtfertigt und bereitstellt.