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Comparative studies on the nervous system of the Chilopoda with emphasis on the organization of deutocerebral neuropils, sensory structures and olfactory behavior

  • Im Gegensatz zu den Hexapoda und Crustacea (Tetraconata) liegen nur wenige Daten zur Architektur des Nervensystems der Chilopoda vor. Ein besonderer Fokus in neuroanatomischen Studien der Arthropoda liegt auf der internen Organisation des Deutocerebrum. Das Deutocerebrum ist ein primärer Verschaltungsort antennaler Sinnesmodalitäten. Es wurde von Schachtner et al. (2005) gezeigt, dass bei Vertretern der Hexapoda und Crustacea spezifische Synapomorphien in Bezug auf die olfaktorischen Glomeruli festzustellen sind. Durch den Einsatz verschiedenster histologischer Techniken, immunhistochemischer sowie histochemischer Methoden, anterograder Backfill-Anfärbungen und der dreidimensionalen Rekonstruktion wurde das Deutocerebrum der Chilopoda in dieser Dissertation untersucht um zu verifizieren, ob das Deutocerebrum ähnlich zu dem der Tetraconata ausgeprägt und ob diese innerhalb der Mandibulata homologisierbar sind. Zudem wurden die gewonnen Daten mit neuroanatomischen Studien zu den Chelicerata verglichen. Das Deutocerebrum der Chilopoda ist durch mehrere Merkmale charakterisiert: (1) Innervierung durch antennale sensorische Neuriten, (2) ein anterior gelegener olfaktorischer Lobus, (3) der posterior gelegene Corpus lamellosum, (4) afferente Projektionen aus der Antenne die in das Unterschlundganglion projizieren sowie (5) Projektionstrakte zwischen dem Protocerebrum und dem olfaktorischen Lobus. Neuroanatomische Daten zeigen, dass ein Schwestergruppenverhältnis zwischen Myriapoda und Chelicerata höchst unwahrscheinlich ist, da das durch sensorische Anhänge innervierte Neuromer bei den Chelicerata nicht durch ein mechanosensorisches Neuropil charakterisiert ist. Basierend auf den Befunden der untersuchten Chilopoda ergibt sich als Apomorphie der Mandibulata, dass der sensorische Eingang durch die homologe deutocerebrale Antenne zwei distinkte Neuropilbereiche innerviert. Sensorische Informationen werden hauptsächlich von antennalen Sensillen wahrgenommen. Mit Ausnahme der Scutigeromorpha, lagen für alle höheren Taxa der Chilopoda Daten zur Struktur und Diversität antennaler Sensillen vor. In der vorliegenden Arbeit konnte diese Lücke geschlossen werden und ein Vergleich der antennalen Sensillen innerhalb der Chilopoda durchgeführt werden. Innerhalb der Chilopoda lassen sich für die Scutigeromorpha drei einzigartige antennale Strukturen feststellen: (1) der Besitz von langen Antennen mit Noden, die „sensory cones“ tragen, (2) der Besitz eines zweigliedrigen Schaftes, der das Schaftorgan trägt und (3) der Besitz des Beak-like Sensillums. Ein dritter Aspekt dieser Arbeit behandelt verhaltensbiologische Untersuchungen bei Vertretern der Chilopoda. Zusammenfassend zeigen die durchgeführten Experimente, dass die Chilopoda (im Speziellen Scutigera coleoptrata) Sinnesreize über die Antenne wahrnehmen kann, spezifische neuronale Strukturen für die Verarbeitung besitzen und auf olfaktorische Reize reagieren.
  • Contrary to hexapods and crustaceans (Tetraconata), only few data on the architecture of the nervous system of chilopods are present. A focus in neuroanatomical studies of arthropods is the deutocerebrum which is a primary processing area of sensory input from the first antennae. Schachter et al. (2005) compiled several synapomorphic characters of the olfactory glomeruli of hexapods and crustaceans. To test whether the architecture of the deutocerebrum of chilopods is homologue to that of the Tetraconata, different techniques such as histology, immunhistochemistry and histochemistry, anterograde backfills and threedimensional reconstructions were conducted. Furthermore, the achieved neuroanatomical data were compared to available studies on the nervous systems of chelicerates. The deutocerebrum in Chilopoda is characterized by several features: (1) innervation by antennal sensory neurites, (2) an anterior olfactory lobe, (3) a posterior Corpus lamellosum, (4) afferent neurite projections into the subesophageal ganglion and (5) projection tracts between protocerebral neuropils and the olfactory lobe. Neuroanatomical data show that a sistergroup relationship between Myriapoda and Chilopoda is highly unlikely because in the Chelicerata the innervated neuromere is not equipped with a mechanosensory neuropil. In summary, in the Mandibulata the sensoric neurites innervate two distinct neuropilar regions. This feature is postulated as an apomorphic character. The majority of sensory information in Chilopoda is perceived by antennal sensilla. With exception of the Scutigeromorpha, for all other higher taxa of the Chilopoda information on the external structure and distribution of antennal sensilla is available. Within the Chilopoda, three unique characters were found for the Scutigeromorpha: (1) the presence of long antennae with nodes bearing sensory cones, (2) the presence of a bipartite shaft including the shaft organ, and (3) the presence of beak-like sensilla. A third aspect of this dissertation deals with ethological investigations of representatives of the Chilopoda. To sum up, ethological experiments show that chilopods (and especially Scutigera coleoptrata) can perceive olfactory stimuli via the antennae, possess distinct nervous system structures to process these information, and are able to react to olfactory stimuli.

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Metadaten
Author: Andy Sombke
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001160-9
Title Additional (German):Vergleichende Studien des Nervensystems der Chilopoden mit dem Schwerpunkt auf der Organisation deutocerebraler Neuropile, sensorischer Strukturen und Verhaltensbiologie
Title Additional (English):Comparative studies on the nervous system of the Chilopoda with emphasis on the organization of deutocerebral neuropils, sensory structures and olfactory behavior
Advisor:Prof. Dr. Stefan Richter, Prof. Dr. Steffen Harzsch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/01/13
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2011/11/25
Release Date:2012/01/13
GND Keyword:Deutocerebrum, Hundertfüßer, Neuroanatomie
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Zoologisches Institut und Museum
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 590 Tiere (Zoologie)