Die Rolle von Insulin-Signalgebung bei der Gedächtnisbildung

Lernen und Gedächtnis sind wichtig für das Überleben vieler Lebewesen. Sie helfen den Organismen, sich an ihre Umgebung anzupassen. Es gibt zwei Hauptarten von Gedächtnis: Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis. Bei Fruchtfliegen zum Beispiel können Erinnerungen, die mit Geruch zu tun haben, auch in diese beiden Kategorien unterteilt werden. Verschiedene Trainingsmethoden, spezielle biologische Wege und die Aktivität in den Gehirnarealen, die für Gedächtnis verantwortlich sind, beeinflussen diese Erinnerungen.

Viele Faktoren haben Einfluss darauf, wie Erinnerungen gebildet werden, darunter der physische Zustand des Organismus, Schlaf, Alter und andere Aktivitäten wie Fortpflanzung. Vergessen spielt ebenfalls eine Rolle, zusammen mit anderen Gehirnaktivitäten, die ausserhalb der wichtigsten Lernbereiche stattfinden. Zellfunktionen, wie der Abbau von Proteinen und die Funktionsweise von Gehirnzellen, haben auch Einfluss auf das Gedächtnis. Diese verschiedenen Elemente zeigen, dass bestimmte Bedingungen nötig sind, um starke Erinnerungen zu bilden, wobei das Energieniveau des Organismus ein entscheidender Faktor ist.

Zum Beispiel benötigen Fruchtfliegen für die Bildung von Langzeitgedächtnis in der Regel die Schaffung neuer Proteine und Übungseinheiten, die durch Ruhepausen getrennt sind. Hunger kann die Bildung von Langzeitgedächtnis behindern, weil er viel Energie verbraucht. Andererseits können bei hohem Energieniveau Langzeitgedächtnisse auch ohne diese Übungseinheiten gebildet werden.

Insulin-Signalisierung, die den Ernährungszustand eines Organismus zeigt, spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Energieniveaus. Diese Signalisierung löst Reaktionen aus, die regulieren, wie der Körper Energie nutzt, und beeinflusst, wie Lernen und Gedächtnis in verschiedenen Arten funktionieren. Bei der Fruchtfliege hat der Insulinrezeptor einen besonderen Einfluss auf die Gedächtnisbildung im Pilzkörper des Gehirns, einem Gebiet, das für Lernen und Gedächtnis wichtig ist.

#Studienziele

Unsere Studie zielt darauf ab, genauer zu untersuchen, wie Insulinrezeptoren das Gedächtnis beeinflussen, indem wir uns auf zwei wichtige Wege konzentrieren, die mit dem Insulinrezeptor verbunden sind: den Ras-Raf-MEK-ERK- und den PI3K/AKT-Weg. Wir wollen herausfinden, wie zwei spezifische Proteine, ERK und Akt, die Gedächtnisbildung in Fruchtfliegenlarven regulieren, wenn deren Energieniveau erhöht ist. Wir wissen, dass diese Proteine wichtig für Gedächtnisprozesse in vielen Arten sind.

Um zu untersuchen, haben wir zuerst nach diesen Proteinen im Gehirn gesucht, indem wir spezielle Färbetechniken verwendet haben. Das bestätigte, dass sie im Pilzkörper vorhanden waren, was darauf hindeutet, dass sie eine Rolle im Gedächtnis spielen könnten, wenn die Energieversorgung steigt. Als nächstes haben wir RNA-Interferenz (RNAi) eingesetzt, um die ERK- und Akt-Niveaus im Pilzkörper der Larven zu senken und beobachtet, wie diese Veränderung die Gedächtnisbildung beeinflusste, wenn die Energieniveaus hoch waren.

Unsere Ergebnisse zeigten, dass eine Senkung der ERK- und Akt-Niveaus im Pilzkörper die Gedächtnisbildung signifikant veränderte, wenn die Energieniveaus hoch waren. Diese Veränderung in der Gedächtnisbildung geschah, obwohl die Fähigkeit der Larven, Gerüche wahrzunehmen und über Gerüche zu lernen, gleich blieb. Das deutet darauf hin, dass ERK und Akt entscheidend für die Bildung von Gedächtnissen sind, die auf hohem Energieniveau bei Fruchtfliegenlarven basieren.

#Material und Methoden

#Fliegenstämme

Für die Experimente haben wir spezifische Stämme von Fruchtfliegen unter kontrollierten Bedingungen gehalten. Sie wurden auf Standardfutter bei 25°C mit 60% Luftfeuchtigkeit und einem 12-Stunden Licht-Dunkel-Zyklus gehalten. Um die ERK- und Akt-Niveaus zu senken, haben wir RNAi-Linien aus zwei Zentren verwendet. Diese Linien haben wir verifiziert, indem wir sie mit einer spezifischen Treiberlinie gekreuzt haben, um zu kontrollieren, wo die RNAi aktiv war.

#Naive Geruchspräferenz und Hochsalzvermeidungsexperimente

Wir haben Tests durchgeführt, um zu sehen, wie Larven auf Gerüche reagierten und wie sie hohe Salzkonzentrationen vermeideten. In diesen Tests wurden Gruppen von 30 sechs Tage alten Larven in Schalen mit zwei Seiten platziert, die unterschiedliche Bedingungen hatten: Eine Seite hatte einen Geruch, während die andere leer war. Wir haben aufgezeichnet, wo die Larven nach fünf Minuten hin gingen, um ihre Präferenzen zu beurteilen.

Für den Hochsalzvermeidungstest haben wir ähnliche Bedingungen eingerichtet. Allerdings enthielt eine Seite Agarose, die mit Salz gemischt war, während die andere nur Agarose hatte. Auch hier haben wir gezählt, wo die Larven hin gingen, um zu sehen, ob sie das Salz vermieden.

#Aversives olfaktorisches Lernen und Gedächtnis

Wir verwendeten eine Methode, bei der Gerüche mit hohem Salzgehalt kombiniert wurden, um das Gedächtnis zu untersuchen. Gruppen von 30 Larven wurden für fünf Minuten zwei verschiedenen Gerüchen ausgesetzt, wobei ein Geruch mit einer salzigen Umgebung verknüpft war. Dann haben wir ihr Gedächtnis getestet, indem wir gemessen haben, wie sie auf die Gerüche nach den Trainingssitzungen reagierten.

#Zuckergabe

Um die Energieniveaus der Larven zu manipulieren, haben wir sie eine Stunde lang mit einer Zuckerlösung gefüttert. Nach dieser Fütterung wurden sie vorsichtig gewaschen, bevor sie in den Experimenten verwendet wurden.

#Proteinauszug

Wir haben Proteinproben aus den Köpfen von erwachsenen weiblichen Fliegen vorbereitet, um die ERK- und Akt-Niveaus zu untersuchen. Diese Proteine sind notwendig für Gedächtnisprozesse. Wir haben ein Lysepuffer verwendet, um das Gewebe zu zersetzen, und dann die Protein-Konzentrationen gemessen.

#Western Blot und Quantifizierung

Um die Proteine zu analysieren, haben wir die Proben mit einem speziellen Puffer gemischt und durch Erhitzen denaturiert. Dann haben wir sie auf ein Gel gebracht, um die Proteine zu trennen, und auf eine Membran übertragen. Verschiedene Antikörper wurden verwendet, um die interessanten Proteine zu identifizieren, und wir haben ihre Niveaus mit einer Methode gemessen, die bewertet, wie stark die Signale waren.

#Immunhistochemie von Larvengehirnen

Wir haben die Gehirne von sechs Tage alten Larven untersucht, um zu sehen, wo ERK und Akt lokalisiert sind. Die Gehirne wurden fixiert und mit speziellen Markern gefärbt, um die Bereiche zu visualisieren, in denen diese Proteine aktiv waren.

#Quantifizierung und statistische Analyse

Wir haben spezifische statistische Tests verwendet, um die Daten aus den Experimenten zu analysieren. Wir haben die Gruppen verglichen, um zu sehen, ob es signifikante Unterschiede in ihren Lern- und Gedächtnisergebnissen gab.

#Verteilung von phosphoryliertem ERK und Akt im zentralen Nervensystem der Larven

Wir fanden heraus, dass die aktiven Formen des Proteins ERK im gesamten larvalen Gehirn vorhanden waren, einschliesslich des Pilzkörpers. Ebenso wurde die aktive Form von Akt in vielen Bereichen beobachtet, was darauf hinweist, dass beide Proteine eine wesentliche Rolle im Gedächtnis spielen.

Unsere Ergebnisse zeigten, dass beide Proteine im Pilzkörper gefunden wurden, was darauf hindeutet, dass sie bei der Gedächtnisbildung in Fruchtfliegenlarven helfen könnten.

#Beeinträchtigte metabolisch abhängige Gedächtnisbildung durch RNAi-vermittelte Herabsetzung von ERK und Akt in den larvalen Pilzkörpern

Um zu sehen, wie gut das Gedächtnis ohne ERK und Akt funktionierte, haben wir den Larven Zucker gefüttert, bevor wir mit dem Training angefangen haben. Dann haben wir nach dem Gedächtnis gefragt, indem wir sie kurz nach den Trainingssitzungen getestet haben. Larven mit verringerten ERK-Niveaus zeigten im Vergleich zu Kontrollgruppen kein Gedächtnis. Das gleiche galt für Larven mit verringerten Akt-Niveaus. Dies zeigt eindeutig, dass beide Proteine entscheidend für das Gedächtnis sind, wenn die Energieniveaus hoch sind.

#Morphologische Integrität des Pilzkörpers nach Herabsetzung von ERK und Akt

Wir haben überprüft, ob die verringerte Aktivität von ERK und Akt die Struktur des Pilzkörpers beeinflusste. Wir haben uns auf Schlüsselbereiche des Pilzkörpers konzentriert und spezielle Färbetechniken verwendet, um die Struktur zu visualisieren. Die Ergebnisse zeigten, dass selbst bei verringertem ERK und Akt die Struktur des Pilzkörpers normal erschien. Das deutete darauf hin, dass die Gedächtnisprobleme nicht durch physische Veränderungen im Gehirnbereich verursacht wurden.

#Auswirkungen der Herabsetzung von ERK und Akt auf naive olfaktorische und gustatorische Wahrnehmung

Als nächstes haben wir untersucht, wie sich die Reduktion von ERK und Akt auf die Fähigkeit der Larven auswirkte, Gerüche und Geschmäcker wahrzunehmen. Wir haben getestet, ob diese Veränderungen ihre natürlichen Reaktionen auf Gerüche und Salz beeinflussten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Larven auch mit verringerten ERK- und Akt-Niveaus normal auf Gerüche reagierten und Salz wie die Kontrollgruppen vermieden. Das deutete darauf hin, dass essentielle Sinnesfunktionen trotz Veränderungen im Gedächtnis intakt blieben.

#Keine nachweisbaren Auswirkungen der Herabsetzung von ERK und Akt auf assoziatives olfaktorisches Lernen

Wir haben weiter untersucht, ob die Herabsetzung von ERK und Akt die allgemeinen Lernprozesse unabhängig von Energieniveaus beeinflusste. Wir haben das unmittelbare Gedächtnis nach einer einzigen Konditionierungssitzung getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass Larven mit verringerten ERK- und Akt-Niveaus ähnlich wie Kontrollgruppen abschneideten, was darauf hindeutet, dass ihre grundlegenden Lernfähigkeiten nicht beeinträchtigt waren.

#Fazit

Zusammenfassend gibt unsere Studie Einblick, wie Insulin-Signalisierung und die Proteine ERK und Akt wichtige Rollen bei der Gedächtnisbildung spielen, besonders unter Bedingungen hohen Energieniveaus. Die Ergebnisse legen nahe, dass beide Proteine notwendig sind, um Erinnerungen zu bilden, die mit der Verfügbarkeit von Energie verknüpft sind.

Trotz der Herabsetzung blieben essentielle sensorische Fähigkeiten wie die Geruchs- und Salzwahrnehmung normal, was darauf hinweist, dass die beobachteten Gedächtnisdefizite nicht auf sensorische Beeinträchtigungen zurückzuführen sind. Stattdessen heben die Ergebnisse eine spezifische Rolle von ERK und Akt im Prozess der Gedächtnisbildung hervor, die eng mit dem Energieniveau des Organismus verbunden ist.

Insgesamt unterstreicht unsere Forschung die Bedeutung, zu verstehen, wie Gedächtnis sowohl auf molekularer als auch auf Schaltkreisebene funktioniert, da dies grössere Auswirkungen auf Gedächtnisprozesse bei verschiedenen Arten haben könnte. Diese Erkenntnisse könnten zu einem besseren Verständnis von Gedächtnis und Lernen in breiteren biologischen Kontexten führen.