Investigative anatomical mapping of the Helicoverpa armigera antennal lobe via anterograde labeling of olfactory sensory neurons from different antennal sections

Abstract

Det kjemosensoriske systemet regnes som det eldste systemet fra et evolusjonært perspektiv, og det er godt representert i hele dyreriket. I de fleste organismer består den kjemosensoriske sansen av to systemer – henholdsvis smak og lukt. Insekter fungerer som en velegnet modellorganisme for eksperimentell lukteforskning, både på grunn av det enkle nervesystemet deres, så vel som hvor sammenlignbar deres luktebane er med vår egen – heriblant insektets antennelobe og pattedyrs luktelapp som begge består av glomerulære synaptiske områder. Lepidoptera mottar luktinformasjon primært gjennom de luktsensoriske nevronene som er plassert på antennene. Når odorantene bindes til spesifikke reseptorer på disse nevronene, transduseres ulike fasetter av luktinformasjonen til et elektrisk signal som i sin tur projiseres gjennom aksoner som danner antennenerven. Signalet går direkte inn i det primære luktsenteret i insekthjernen, antenneloben. Her ender de sensoriske aksonene i de karakteristiske glomeruli – alle nevroner som uttrykker samme type luktereseptor terminerer i samme glomerulus. I dette prosjektet ble de afferente sensoriske nevronene på antenna farget med et fluorescerende fargestoff fra ulike steder på antenna. Prosjiseringsmønsteret fra disse sensoriske nevronene i antennelobene ble deretter skannet med et konfokalt mikroskop. Til slutt ble dataene rekonstruert og analysert digitalt. Resultatene bekrefter tidligere funn som viser at terminalene til de luktsensoriske nevronene innerverer glomeruli i den ipsilaterale antenneloben. Imidlertid demonstrerer dataene som presenteres her at de sensoriske nevronene innerverer antennelobene ulike glomeruli på en spesifikk måte. Prosjiseringsmønsteret er avhengig av både hvilket nivå på antenna det ble farget fra så vel som den spesifikke glomeruli. I tillegg demonstrerte resultatene at en gruppe mediale glomeruli mottar svært lite innervering fra hele antenna. Disse resultatene antyder at de mediale glomeruli kan inneha en spesifikk roller i forhold til resten av de ordinære glomeruli. Det er foreløpig ukjent om den svake innervasjon for de aktuelle mediale glomeruli blir kompensert for av en alternativ sensorisk kilde. Et annen interessant funn var at det største glomerulus i det hannspesifikke macrogolomerular-komplekset, cumulus, ble bemerkelsesverdig sterkt innervert av sensoriske nevroner langs hele antenna – selv de fra periferien.

The chemosensory system is considered the oldest system from an evolutionary perspective, and it remains well preserved across the animal kingdom. In most organisms, it is split between the two classical senses of taste and smell – gustation and olfaction, respectively. Insects serve as a wonderful model organism for experimental olfactory research, due to both the simplicity of their nervous system as well as how comparable their antennal lobes are to our own olfactory bulb. Lepidoptera receive olfactory information primarily through the olfactory sensory neurons situated within the antennae. When the odorants meet the olfactory sensory neurons, various facets of information are transduced into an electrical signal and projected through axons forming the antennal nerves to the primary olfactory center of the insect brain, the antennal lobe, for processing. In this project, the antennal afferent sensory neurons were experimentally bisected at varying lengths and stained with a fluorescent dye. The terminal outputs in the antennal lobe were then scanned with a confocal microscope. Lastly, the data was digitally reconstructed and analyzed. The results confirm previous findings showing that the terminals of the olfactory sensory neurons innervate glomeruli in the ipsilateral antennal lobe. However, the data presented here demonstrate that the sensory neurons innervate the different antennal lobe glomeruli in unequal amounts. This is dependent upon both antennal distance as well as the specific glomerulus in question. In addition, the staining results reveal that a group of medial glomeruli receive very little innervation from the antennal nerve. These results suggest a possible separation of roles between the medial glomeruli from the rest of the ordinary glomeruli. It is unknown currently if the difference in antennal innervation for the medial glomeruli in question is compensated for by an alternate source of innervation. Also of interest was the fact that the largest glomeruli of the macroglomerular complex, the cumulus, was strongly innervated by the sensory neurons along the entire antenna, including those at the periphery.