Uncharted territory in the Stomatopod central complex: Finding the core navigational circuit in Neogonodactylus oerstedii
(2024) MOBN03 20231Degree Projects in Molecular Biology
- Abstract
- The Central Complex (CX) is a highly conserved brain region at the center of the arthropod brain. It is believed to be the navigational center with a special neural circuit called the head direction system. The head direction system is the neural basis for a typical navigational strategy called path integration. Path integration requires the animal to have an external compass like the sun and an internal odometer keeping track of the distance travelled. Once the animal is ready to return to its origin the animal follows a vector that it has computed internally along the outbound path. Recently, a species of mantis shrimp, Neogonodactylus oerstedii, an aquatic animal was found to use the same strategy as terrestrial insects. The insect CX... (More)
- The Central Complex (CX) is a highly conserved brain region at the center of the arthropod brain. It is believed to be the navigational center with a special neural circuit called the head direction system. The head direction system is the neural basis for a typical navigational strategy called path integration. Path integration requires the animal to have an external compass like the sun and an internal odometer keeping track of the distance travelled. Once the animal is ready to return to its origin the animal follows a vector that it has computed internally along the outbound path. Recently, a species of mantis shrimp, Neogonodactylus oerstedii, an aquatic animal was found to use the same strategy as terrestrial insects. The insect CX has been studied in detail and this will be the first extensive report of of neuron reconstructions in a crustacean. I manually traced individual neurons through a volume of scanning electron microscope images. A collaborative software tool called CATMAID was used for all neuron tracing. The purpose was to reconstruct the underlying neural circuit that allows path integration to function, and if the circuit is homologous to the insect circuit. I reconstructed what I believe to be the foundation of the mantis shrimp CX and have identified some key neurons with possible homology to insects. I have also identified that the general organization between the mantis shrimp CX and the insect CX have similarities indicative of homology within the core circuit of the CX navigational system. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- En insektshjärna i ett kräftdjur
Alla djur navigerar på något sätt. Men hur navigerar de, vad använder olika djur för att navigera genom världen? Det kan till synes verka som en trivial sak, bara gå i rätt riktning. Men hur vet man vad som är rätt riktning? Det har visat sig att det finns många olika sätt att veta om man ’navigerar rätt’. Insekter framför allt använder sig av alla möjliga typer av stimuli, externa och interna, för att navigera. Det har också visat sig att mantisräkor använder sig av samma interna strategi för att navigera men under vatten och 400 miljoner år av evolution emellan sig. Jag ville se om den underliggande neurologiska kretsen är densamma eller, om olika, vad som skiljer de åt och vad det kan bero på.
... (More) - En insektshjärna i ett kräftdjur
Alla djur navigerar på något sätt. Men hur navigerar de, vad använder olika djur för att navigera genom världen? Det kan till synes verka som en trivial sak, bara gå i rätt riktning. Men hur vet man vad som är rätt riktning? Det har visat sig att det finns många olika sätt att veta om man ’navigerar rätt’. Insekter framför allt använder sig av alla möjliga typer av stimuli, externa och interna, för att navigera. Det har också visat sig att mantisräkor använder sig av samma interna strategi för att navigera men under vatten och 400 miljoner år av evolution emellan sig. Jag ville se om den underliggande neurologiska kretsen är densamma eller, om olika, vad som skiljer de åt och vad det kan bero på.
Insekter, mantisräkor och andra kräftdjur använder sig av en navigeringsstrategi som kallas för ’path integration’ (PI). PI är baserat på att djuret kontinuerligt håller koll på alla ändringar i sin riktning och sin fart under en utresa från boet och producerar en vektor som går från djurets nuvarande position tillbaka till sin ursprungspunkt. Insekter och kräftdjur, har alla samma struktur i hjärnan som kallas för Centrala Komplexet (CX). CX är också känt att vara navigeringscentrumet för dessa djur och är väl konserverat över många miljoner år. För att PI ska fungera krävs en krets av olika celltyper och dessa är väl studerade i insekter men aldrig rekonstruerade i ett kräftdjur. Jag ville därför först rekonstruera den neurologiska kretsen som tillåter PI och jämföra den med insekter.
För att rekonstruera olika celler har jag spårat celler genom högupplösta bilder som man tagit med ett svepmikroskop med en teknik som kallas Serial Block-Face (SBF-SEM). SBF-SEM innebär att man skannar en ny yta av ett prov och succesivt tar bort ett tunt lager och skannar den nya ytan. Resultatet kommer vara en serie av bilder där man kan följa celler och skapa en 3D modell av en cell i ett annat program som kallas för Collaborative Annotation Toolkit for Massive Amounts of Image Data (CATMAID). Dessa rekonstruktioner (Fig. 1) kommer kunna jämföras med varandra och andra rekonstruktioner från insekter för att bestämma celltyper och om de är homologa eller inte.
Jag kunde konfirmera vissa av de tidigare teorierna om mantisräkor CX men jag hittade också vissa saker som gick emot den tidigare litteraturen och även vad som är känt i insekter. Vi hittade en annan organisation av substrukturer än i tidigare studier men generell organisation av celler verkar vara konserverat. För att säkerhetsställa homologi mellan mantisräkor och insekter behöver vi titta på de synaptiska kopplingarna mellan olika celltyper men kvaliteten var tyvärr för dålig för att se dessa kopplingar. Enbart baserat på cellmorfologier, är där skillnader mellan de två grupperna men ändå tecken på att det finns en grundkrets som har utvecklats under 400 miljoner år för att anpassas till individuella arter och deras livsstil.
Master’s Degree Project in Molecular Biology 60 credits 2024
Department of Biology, Lund University
Advisor: Stanley Heinze
Functional Zoology, Department of Biology, Lund University (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9149290
- author
- Sundberg Gunnarsson, Ebba
- supervisor
- organization
- course
- MOBN03 20231
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- language
- English
- id
- 9149290
- date added to LUP
- 2024-02-29 15:13:29
- date last changed
- 2024-02-29 15:13:29
@misc{9149290,
abstract = {{The Central Complex (CX) is a highly conserved brain region at the center of the arthropod brain. It is believed to be the navigational center with a special neural circuit called the head direction system. The head direction system is the neural basis for a typical navigational strategy called path integration. Path integration requires the animal to have an external compass like the sun and an internal odometer keeping track of the distance travelled. Once the animal is ready to return to its origin the animal follows a vector that it has computed internally along the outbound path. Recently, a species of mantis shrimp, Neogonodactylus oerstedii, an aquatic animal was found to use the same strategy as terrestrial insects. The insect CX has been studied in detail and this will be the first extensive report of of neuron reconstructions in a crustacean. I manually traced individual neurons through a volume of scanning electron microscope images. A collaborative software tool called CATMAID was used for all neuron tracing. The purpose was to reconstruct the underlying neural circuit that allows path integration to function, and if the circuit is homologous to the insect circuit. I reconstructed what I believe to be the foundation of the mantis shrimp CX and have identified some key neurons with possible homology to insects. I have also identified that the general organization between the mantis shrimp CX and the insect CX have similarities indicative of homology within the core circuit of the CX navigational system.}},
author = {{Sundberg Gunnarsson, Ebba}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Uncharted territory in the Stomatopod central complex: Finding the core navigational circuit in Neogonodactylus oerstedii}},
year = {{2024}},
}