The function of mechanosensory systems in the startle behavior of planktonic larvae

Abstract

The sensation of mechanical stimuli is a central function of all animal nervous systems. Mechanosensory systems are in charge of this function, using for that a set of specialized molecules and cells that transmit the signal to downstream circuits that initiate and guide a wide variety of behaviors, ranging from navigation, to social interactions. Despite the intensive study of mechanosensory systems in the main genetics models, a clear unified picture of these sensory systems is still lacking. Exploring mechanosensory systems in animals spread across the phylogeny may help reveal such common principles. To contribute towards this aim, the mechanosensory systems of the planktonic larva of the marine annelid Platynereis dumerilii are analysed in this work using genetics, circuit and behavioral approaches. At the behavioral level, a startle response elicited by mechanical stimuli is described in Platynereis larvae using high-speed recordings. This startle response is a fast and well-coordinated behavior involving the control of both the muscular and ciliary locomotor systems of the larva. The startle response is shown to be modulated according to the intensity and site of stimulation. Such responses have been observed in other planktonic organisms, but the mechanosensory cells responsible for initiating the response are not known. A group of penetrating uniciliated neurons in the Platynereis larva are shown by calcium imaging to respond to the mechanical stimuli eliciting the startle response. Their morphology is quite similar to putative mechanosensory cells found in other animals, thus suggesting a deep evolutionary conservation. It is not entirely understood what molecular and cellular mechanisms are required for transforming mechanical cues to cellular signals. Here it is shown that Platynereis has homologs to the main molecules that have been implicated in mechanotransduction. The ciliated hydrodynamic receptors identified in this study express PKD1-1 and PKD2-1, two members of the polycystin family that have been implicated in mechanotransduction in other animals. The CRISPR system is used to generate frame-shift mutations in these genes. The mutants no longer display the startle response upon mechanical stimulation, thus suggesting that PKD2-1 and PKD1-1 are essential for the transmission of the mechanical information to downstream circuitries. Startle behaviors generally have a role in avoiding, escaping or deterring predators. It is however not clear what specific adaptations are most useful to increase survival. Here, I used the mutants defective in the startle response to assess the survival value of this behavior. Competition experiments using a rheotactic planktonic predator showed that the mutants are predated more than their wildtype counterparts. These results show that seemingly simple behavioral adaptions can have a high adaptive value. Due to their relatively simplicity, startle responses such as the one described for Platynereis have been dissected at the circuit level. Here, the startle circuit of Platynereis larvae is reconstructed at the synapse level using serial transmission electron microscopy. The resulting circuit shows direct and indirect pathways that explain how ciliary bands and muscles are controlled in a coordinated and synchronous manner. A novel group of interneurons and motoneurons is described that provides candidates for further functional exploration of this circuit.

Die Wahrnehmung mechanischer Reize ist eine zentrale Funktion der Nervensysteme aller Tiere. Mechanosensorische Systeme nutzen ein Set von speziellen Molekülen und Zellen, die das Signal des mechanischen Reizes an das postsynaptische neuronale Netzwerk weiterleiten und eine Vielzahl von Verhalten, von Navigation bis zu sozialer Interaktion, induzieren und beeinflussen. Trotz intensiver Forschung der mechanosensorischen Systeme in den wichtigsten genetischen Modelorganismen fehlt ein klares, einheitliches Bild. Dies kann durch die Untersuchung der mechanosensorischen Systeme in Tieren aus weiteren phylogenetischen Gruppen erweitert werden und hilft somit allgemeine Prinzipien hervorzuheben. Um sich diesem Ziel zu nähern, werden in dieser Arbeit die mechanosensorischen Systeme der planktischen Larve des marinen Ringelwurms Platynereis dumerilii, auf der Ebene von Genetik, neuronalen Schaltreisen und Verhalten, analysiert. Auf Verhaltensebene wird eine Schreckreaktion durch mechanische Reize in der Platynereis Larve ausgelöst und mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen beschrieben. Diese Schreckreaktion ist ein schnelles und gut koordiniertes Verhalten, welches die Kontrolle von Muskeln und Zilien in der Larve involviert und durch die Reizintensität und dem Ort der Reizapplikation verändert werden kann. Andere planktische Organismen zeigen ähnliche Reaktion, aber die mechanosensorischen Zellen, die dieses Verhalten verursachen, sind nicht bekannt. In Platynereis Larven konnte eine Gruppe von Nervenzellen mit je einer, die Kutikula durchdringenden, Zilie identifiziert werden. Durch Kalziumindikatoren konnte gezeigt werden, dass diese Neurone auf mechanische Reize reagieren, welche die Schreckreaktion auslösen. Ihre Morphologie ist den, in anderen Tieren gefundenen, mutmaßlichen mechanosensorischen Zellen sehr ähnlich, welches eine evolutionäre Konservierung annehmen lässt. Es ist nicht vollständig verstanden, welche molekularen und zellulären Mechanismen für die Umwandlung mechanischer Reize in zellulare Signale verantwortlich sind. Hier wird gezeigt, dass Platynereis Moleküle besitzt, welche homolog zu den Molekülen sind, denen eine Beteiligung an der Weiterleitung des mechanosensorischen Reizes nachgesagt wird. Die bewimperten hydrodynamischen Rezeptoren, die in dieser Studie identifiziert worden, exprimieren PKD1-1 und PKD2-1, zwei Mitglieder der Polycystin Familie, welche in anderen Tieren mutmaßlich an der mechanosensorischen Weiterleitung beteiligt sind. Larven mit einer Rastermutation auf diesen Genen, welche mittels dem CRISPR System erzeugt wurde, zeigen keine Schreckreaktion nach mechanischer Stimulation. Das lässt vermuten, dass PKD2-1 und PKD1-1 für die Weiterleitung der mechanischen Reizinformation an das postsynaptische neuronale Netzwerk essentiell sind. Schreckreaktionsverhalten spielt im allgemeinen eine Rolle in der Vermeidung, Flucht oder Abschreckung von Räubern. Jedoch ist nicht eindeutig geklärt welche spezifischen Adaptionen besonders nützlich für das Überleben sind. In der vorliegenden Studie werden die mutierten Larven ohne Schreckreaktion genutzt, um die Bedeutung des Verhaltens für das Überleben zu bewerten. Die Experimente mit einem rheotaktischen Räuber zeigen, dass mehr mutierte Larven als Wildtyp-Larven gefressen werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass scheinbar einfache Verhaltensanpassungen einen großen Effekt haben können. Hier wird die Schreckreaktion in Platynereis Larven auf dem Level von neuronalen Schaltkreisen mit synaptischer Auflösung durch Serien-Transmission-Elektronen-Mikroskopie untersucht. Der daraus resultierende neuronale Schaltkreis zeigt direkte und indirekte Wege, die erklären wie Zilienbänder und Muskeln koordiniert und synchron kontrolliert werden. Außerdem wird eine neue Gruppe von Interneuronen und Motorneuronen beschrieben und liefert Kandidaten für weitere funktionale Erkundigungen des neuronalen Schaltkreises.