Digital visualisering av nevroner og relevante nevropil-områder i en insekt hjernemodell

Abstract

Nevroners morfologi har vært et sentralt tema innen nevrovitenskapelig forskning siden slutten av 1800-tallet. I den senere tid har digitalisering av anatomiske elementer inkludert nevroner og hjerneområdene de innerverer, bidratt til å visualiser strukturene i 3D og å kartlegge nevronenes koblinger. Hovedmålet med denne masteroppgaven var å bidra til ny kunnskap innen generell nevrovitenskap ved å visualisere individuelle nevroner i et velegnet hjernepreparat. I denne studien er det utført fullstendige rekonstruksjoner av fem nevroner, fire bilaterale og ett unilateralt, fra hjernen til nattsvermeren Helicoverpa armigera. Modelleringen er utført på bakgrunn av høyoppløselige konfokale bildestakker. En betydelig fordel ved å benytte en liten insekthjerne for denne typen arbeid, er at den muliggjør konfokal avbildning av et helpreparat og ikke snitt. Nevronene ble rekonstruert ved bruk av det digitale visualiseringsprogrammet Amira. Ved å benytte denne programvaren, ble det laget 3D modeller av nevronene som deretter ble plassert sammen med nevropil-områder de innerverte, enten i form av nevropil-områder rekonstruert i det aktuelle preparatet eller i form av et tidligere etablert representativt hjerneatlas av den aktuelle arten. Alle de presenterte nevronene demonstrerer en tydelig morfologi og viser innerveringene innad i ulike områder av nattsvermerhjernen. Ved å innta en komparativ tilnærming og reflektere over resultatene fra andre insektarter, var det mulig å gjøre antagelser om funksjon basert på de morfologiske særtrekkene til de rekonstruerte nevronene. For eksempel innerverte nevron 5 lateral accessory lobe (LAL) og projiserte i retning av ventralstrengen. Dette mønsteret ligner på morfologien til et utgående nevron tidligere rapportert i silkespinneren, Bombyx mori. Dessuten, Nevron 3 som innerverte den optiske lobe, ventrolateral nevropil (VLNP), superior medial protocerebrum (SMP) og LAL i begge hemisfærer, har lignende morfologiske særtrekk med et upublisert nevron i den såkalte ‘Bogong moth’, Agrotis infusa, som migrerer over lange avstander. Dette indikerer at nevron 3 kan ha en rolle i nattsvermerens orientering i henhold til lyssignaler fra himmellegemer. Til sammen bidrar resultatene som presenteres her til ytterligere oppdatering av samlingen nevroner fra hjernen til H. armigera, og den betydelige graden av anatomisk variasjon blant de individuelle nevronene, demonstrerer kompleksiteten i de nevrale elementer som danner den lille insekthjernen.

Neural morphology has been a central issue within neuroscientific research since the late 19th century. At present, digitalization of anatomical elements including neurons and the brain areas they innervate, contributes to 3D visualization and mapping of neuronal elements and their connections. The main goal of the master's thesis was to obtain new knowledge within general neuroscience by performing digital reconstructions for visualization of individual neurons. In the present study, five neurons, one unilateral and four bilateral, were completely reconstructed from confocal images of brains of the noctuid moth, Helicoverpa armigera. A significant advantage of utilizing the insect brain for this kind of work is the opportunity of scanning of the whole preparation without slicing it. The neurons were reconstructed using the digital visualization program, Amira. In the software program, 3D neuron models were created and assembled with relevant reconstructed neuropils as well as inserted into a representative brain atlas of the current species. All the presented neurons demonstrated a distinct morphology showing innervations within different areas of the moth brain. By adopting a comparative approach and reflecting upon the results obtained from other insect species, it was possible to make some assumptions regarding possible functional characteristics of the reconstructed neurons. For instance, Neuron 5, innervating the lateral accessory lobe (LAL) and projecting in the direction of the ventral nerve cord, showed similar morphology with a descending neuron previously obtained in the silk moth, Bombyx mori. Furthermore, Neuron 3, innervating the optic lobe, ventro-lateral neuropils (VLNP), LAL, and superior medial protocerebrum (SMP) in both hemispheres, and having similar morphological features with an unpublished neuron in the long-distance migrating bogong moth, Agrotis infusa, indicates that Neuron 5 may play a role in the moth’s orientation according to light signals from celestial bodies. Altogether, the results presented here contribute to replenishment of the brain neuron collection in the moth H. armigera and reinforce previous knowledge on the anatomical diversity of individual neurons forming the tiny insect brain.