144
A molecular and cellular analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae The neuropeptide PDF and neurotransmitters involved in input pathways to the circadian clock Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) vorgelegt von ElSayed Baz ElShabrawy ElSayed Abteilung Tierphysiologie – Institüt fur Biologie Fachbereich 10/ Mathematik und Naturwissenschaften Universität Kassel Kassel, Deutschland Kassel, Februar 2015

A molecular and cellular analysis of the circadian system

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: A molecular and cellular analysis of the circadian system

  

 

 

A molecular and cellular analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae 

 

 The neuropeptide PDF and neurotransmitters involved in input pathways to the circadian clock 

 

Dissertation 

zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) 

 

vorgelegt von 

El‐Sayed Baz El‐Shabrawy El‐Sayed 

    

Abteilung Tierphysiologie – Institüt fur Biologie  Fachbereich 10/ Mathematik und Naturwissenschaften 

Universität Kassel  Kassel, Deutschland 

  

 

Kassel, Februar 2015

Page 2: A molecular and cellular analysis of the circadian system

  

„Gedruckt mit Unterstützung des Deutschen Akademischen Austauschdienstes“ 

Page 3: A molecular and cellular analysis of the circadian system

  

 

 

A molecular and cellular analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae 

 

 The neuropeptide PDF and neurotransmitters involved in input pathways to the circadian clock 

 

Dissertation 

for obtaining the degree  Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) 

 

Submitted by 

El‐Sayed Baz El‐Shabrawy El‐Sayed 

    

Animal Physiology ‐ Department of Biology  Faculty of Mathematics and Natural Sciences 

University of Kassel Kassel, Germany 

  

 

Kassel, February 2015 

Page 4: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

i  

Vom Fachbereich 10 / Mathematik und Naturwissenschaften der Universität Kassel, Kassel, Deutschland als Dissertation am  12.02.2015 angenommen. 

Accepted as dissertation by the Faculty of Mathematics and Natural Sciences, University of Kassel, Kassel, Germany, 12.02.2015 

 

Erstgutachter: Prof. Dr. Monika Stengl (First Referee) 

Zweitgutachter:  Prof. Dr. Charlotte Helfrich‐Förster (Second Referee) 

 

Prüfungskommission: (Examination committee)  

1‐ Prof. Dr. Monika Stengl       (Abteilung Tierphysiologie, Universität Kassel) (Department of Biology, Animal Physiology, University of Kassel)  

2‐ Prof. Dr. Charlotte Helfrich‐Förster (Lehrstuhl für Neurobiologie und Genetik, Universität Würzuburg) (Department of Neurobiology and Genetics, University of Würzburg)  

3‐ Prof. Dr. Friedrich Herberg (Abteilung Biochemie, Universität Kassel) (Department of Biology, Biochemistry, University of Kassel)  

4‐ Prof. Dr. Raffael Schaffrath  (Abteilung Mikrobiologie, Universität Kassel) (Department of Biology, Microbiology, University of Kassel) 

 

Tag der mündlichen Prüfung:  15.04.2015 (Date of oral defense)

Page 5: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

ii  

حيم حمن الر  بسم الله الر

 ھار مبصرة لتبتغوا ھار آيتين فمحونا آية الليل وجعلنا آية الن فضلا من وجعلنا الليل والن

نين والحساب وكل شيء كم ولتعلموا عدد الس ب .يلا ـلناه تفص ـفص ر

 

 12 سراءالإسورة

 

Meanings:  

 

 In the name of Allah, the Entirely Merciful, the Especially Merciful. 

 “And We  have made  the  night  and  day  two  signs,  and We erased  the  sign  of  the  night  and made  the  sign  of  the  day visible  that  you may  seek  bounty  from  your  Lord  and may know  the  number  of  years  and  the  account  [of  time].  And everything We have set out in detail” 

 Holy Quran, Sura Al‐Israa Verse 12 

 

Bedeutungen:  

 Im Namen Allahs, des Allerbarmers, des Barmherzigen. 

“Und Wir haben die Nacht und den Tag zu zwei Zeichen gemacht. 

Dann  haben  Wir  das  Zeichen  der  Nacht  ausgelöscht  und  das Zeichen des Tages hell gemacht, damit  ihr nach Huld von eurem Herrn  trachtet  und  damit  ihr  die  Zahl  der  Jahre  und  die (Zeit)rechnung  wißt.  Und  alles  haben  Wir  ganz  ausführlich 

dargelegt” 

 

Holy Quran, Sura Al‐Israa Verse 12

Page 6: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

iii  

Eidesstattliche Erklärung 

 Hiermit  versichere  ich,  dass  ich  die  vorliegende  Dissertation  selbstständig,  ohne 

unerlaubte  Hilfe  Dritter  angefertigt  und  andere  als  die  in  der  Dissertation 

angegebenen  Hilfsmittel  nicht  benutzt  habe.  Alle  Stellen,  die  wörtlich  oder 

sinngemäß aus veröffentlichten oder unveröffentlichten Schriften entnommen sind, 

habe  ich  als  solche  kenntlich  gemacht. Dritte waren  an  der  inhaltlich materiellen 

Erstellung  der Dissertation  nicht  beteiligt;  insbesondere  habe  ich  hierfür  nicht  die 

Hilfe eines Promotionsberaters in Anspruch genommen. Kein Teil dieser Arbeit ist in 

einem anderen Promotions‐ oder Habilitationsverfahren verwendet worden. 

  Kassel, 11.02.2015   ________________     El‐Sayed Baz

Page 7: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

iv  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

It is my honor to dedicate this work to my wife Norhan

Page 8: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

v  

 

Page 9: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

vi  

Contents 

 

List of Figures .................................................................................................................................................. ix 

List of Tables ................................................................................................................................................. xiii 

Contribution statements ........................................................................................................................... xiv 

Zusammenfassung.......................................................................................................................................... 1 

Summary ............................................................................................................................................................ 2 

 

1.  Introduction ................................................................................................................................................ 3 

1.1.  Circadian rhythms ...................................................................................................................... 3 

1.2.  Cellular and molecular basis of the insect circadian clocks ....................................................... 5 

1.2.1. The circadian clock system of the fruitfly Drosophila melanogaster ............................ 6 

Cellular and molecular components of the circadian pacemakers in D. melanogaster .... 6 

Molecular mechanisms of D. melanogaster clock system ................................................. 9 

1.2.2. The circadian clock system in Rhyparobia maderae ................................................... 10 

The accessory medulla (AME) .......................................................................................... 10 

PDF‐immunoreactive neurons .......................................................................................... 12 

Light input pathway to the accessory medulla ................................................................ 14 

Molecular mechanisms of R. maderae clock system ....................................................... 16 

1.3.  The neuropeptide pigment‐dispersing factor (PDF) ................................................................ 18 

1.4.  Aims of this study ..................................................................................................................... 20 

 

2. Materials and methods ......................................................................................................................... 23 

2.1.  Experimental animals ............................................................................................................... 23 

2.2.  Primary cell cultures ................................................................................................................. 23 

2.3.  Calcium imaging experiments .................................................................................................. 26 

2.3.1. Loading cells with Ca2+ indicator dye .......................................................................... 26 

2.3.2. Imaging setup and recording ...................................................................................... 26 

2.3.3. Drugs and application.................................................................................................. 31 

2.4.  Förster Resonance Energy Transfer (FRET) Imaging experiments ........................................... 34 

2.4.1. FRET–Sensor ................................................................................................................ 34 

2.4.2. FRET‐Sensor Microinjection ........................................................................................ 34 

2.4.3. cAMP imaging setup and recording ............................................................................ 36 

2.5.  Images analysis, measurements, and statistics ....................................................................... 38 

Page 10: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Contents  

 

vii  

2.6.  Behavioral experiments ........................................................................................................... 40 

2.6.1. Running‐wheel assays ................................................................................................. 40 

2.6.2. Injections ..................................................................................................................... 40 

2.6.3. Data analysis ................................................................................................................ 41 

2.7.  Extracellular recordings ........................................................................................................... 43 

2.7.1.  Electrode implantations .............................................................................................. 43 

2.7.2.  Experiential setup and recordings ............................................................................... 44 

2.7.3. Data analysis and measurements ............................................................................... 45 

 

3.  Results ......................................................................................................................................................... 49 

3.1. Neurotransmitters‐induced Ca2+ responses in the cultured circadian pacemaker neurons of the cockroach Rhyparobia maderae ........................................................................................ 49 

3.1.1. Responses to acetylcholine (ACh) ............................................................................... 49 

4.1.1.1.  Effects of ACh on intracellular Ca2+ levels ..................................................... 49 

4.1.1.2.  Responses to ACh is mediated by nicotinic receptors ................................. 51 

4.1.1.3.  ACh‐induced Ca2+ increase is mediated by voltage‐activated Ca2+ channels ... 52 

3.1.2. Responses to histamine (HA) ...................................................................................... 53 

3.1.2.1.  Effects of histamine on intracellular Ca2+ levels ........................................... 53 

3.1.2.2.  Histamine‐receptors in AME neurons ........................................................... 54 

3.1.3. Responses to GABA ..................................................................................................... 56 

3.1.3.1.  Effects of GABA on intracellular Ca2+ levels .................................................. 56 

3.1.3.2.  Different types of GABA receptors may mediate GABA‐dependent inhibitory responses ....................................................................................................... 57 

3.1.4  Responses to other neurotransmitters ....................................................................... 59 

3.2.  Signaling mechanisms of the neuropeptide pigment‐dispersing factor (PDF) in the cultured circadian pacemaker neurons .................................................................................................. 61 

3.2.1. Effects of PDF on the intracellular Ca2+ activity........................................................... 61 

3.2.2. PDF signaling is not exclusively mediated via adenylyl cyclase (AC)/cAMP pathway . 63 

3.3.  Histamine phase‐shifts the circadian locomotor activity rhythm of the cockroach Rhyparobia maderae ................................................................................................................................... 68 

3.4.  Simultaneous electrophysiological analysis of circadian rhythms of the circadian pacemaker center, of the electroretinogram, and of leg muscle activity in the cockroach Rhyparobia maderae ................................................................................................................................... 71 

3.4.1. Electrical activity of AME (EAA) recorded with the EAA‐electrode ............................. 71 

3.4.2. Electroretinogram (ERG) ............................................................................................. 73 

Page 11: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Contents

viii  

3.4.3. Electromyogram (EMG) ............................................................................................... 75 

3.4.4. Microinjections and correlation analysis .................................................................... 76 

 

4.  Discussion .................................................................................................................................................. 79 

4.1.  Possible roles of neurotransmitters in the circadian system of the Madeira cockroach ........ 79 

4.1.1. Acetylcholine (ACh) is a key player in circadian clocks in many circuits ..................... 79 

4.1.2. Histamine (HA) is involved in entrainment pathways to the circadian pacemaker neurons via cimetidine‐sensitive receptors ................................................................ 82 

4.1.3. Other neurotransmitters involved in different functional circuits of the circadian clock  ……………………………………………………………………………………………………………………..84 

Functional role of GABA in the circadian clocks ............................................................... 84 

Possible role of serotonin on the circadian clocks ........................................................... 86 

Possible role of glutamate and octopamine on the circadian clocks ............................... 87 

4.2.  Pigment‐dispersing factor (PDF)‐dependent calcium‐ and cAMP –signaling pathways in circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae ..................... 89 

PDF signals via adenylyl cyclase‐dependent and ‐independent pathways ........................... 91 

4.3.  Simultaneous electrophysiological analysis of circadian rhythms of the circadian pacemaker center, of the electroretinogram, and of leg muscle activity in the Madeira cockroach ........ 95 

Suitability of the recording methods ..................................................................................... 96 

References ....................................................................................................................................................... 98 

Appendix ....................................................................................................................................................... 119 

Dual FRET‐ and calcium‐imaging experiments .............................................................................. 119 

Acknowledgements ................................................................................................................................... 123 

 

Page 12: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

ix  

List of Figures 

  Page

1. Introduction 

Fig. 1.1  Model of a circadian system  4

Fig. 1.2  Schematic outline of a phase  response  curve  (PRC) of  circadian  rhythms  in response  to  treatment  with  a  stimulus  (e.g.  light,  neurotransmitters,  or neuropeptides 

5

Fig. 1.3  Clock‐gene‐expressing neurons in the brain of Drosophila  7

Fig. 1.4  Morning (M) and evening (E) cells in the brain of Drosophila Melanogaster.   8

Fig. 1.5  The PER/TIM‐dependent circadian core feedback loop in D. melanogaster.  9

Fig. 1.6  Dorsal view of the adult male cockroach Rhyparobia maderae.  10

Fig. 1.7  3D‐reconstruction  shows  the  accessory medulla  (AME)  and  its  associated neurons. 

11

Fig 1.8  A  3D‐reconstruction  of  the Madeira  cockroach  optic  lobe  shows  the  PDF‐immunoreactive (PDF‐ir) somata and fibers. 

13

Fig. 1.9  The  contralaterally  projections  of  the  largest  and  medium‐sized  aPDFMe neurons in the Madeira cockroach. 

13

Fig. 1.10  A  scheme  of  a  possible  peptidergic  and  GABAergic  light  entrainment pathway in the circadian clock (AME) of the Madeira cockroach. 

15

Fig. 1.11 

 

A  Comparison  between  a  light‐dependent  PRC  and  the  neuroactive‐substance‐dependent PRCs in R. maderae. 

17

Fig. 1.12 

 

Schematic  view  of  the  different  methods  employed  for  the  analysis  of neurotransmitter‐signaling and of  the  signaling of  the neuropeptide PDF  in the  circadian  pacemaker  center  of  the  Madeira  cockroach  Rhyparobia maderae 

21

2. Materials and methods 

Fig. 2.1  Schematic view of  the method used  to prepare  the primary cell cultures of accessory medulla  (AME) cells of  the Madeira cockroaches  to be processed for Ca2+‐imaging and FRET experiments. 

25

Page 13: A molecular and cellular analysis of the circadian system

List of figures  

x  

Fig. 2.2  Schematic drawing  showing  the  location of different  components  inside of the fluorescence microscope and describing the light path for Polychrome V illumination. 

28

 

Fig. 2.3  Typical  configuration  scheme  of  the  calcium  and  FRET  imaging  system devices to be controlled by Live Acquisition software. 

29

Fig. 2.4  Recording chamber used in calcium and FRET imaging experiments.  29

Fig. 2.5  Fluorescence image of the cultured AME cells loaded with Fura‐2.  29

Fig. 2.6  Stimulus solution application system designed for imaging experiments.  33

Fig. 2.7  Loading FRET sensors into an AME neuron via a microinjection pipette.  36

Fig. 2.8  Outline of Ca2+/FRET experimental steps.  38

Fig. 2.9  Schematic representation of running‐wheel assays    42

Fig. 2.10  Schematic view of the setup used for electrophysiological experiments 47

3. Results 

Fig. 3.1  Acetylcholine  (ACh)  increased  both  the  amplitude  and  the  duration  of calcium  responses  in  the  accessory medulla  (AME)  pacemaker  neurons  in primary cell culture of the Madeira cockroach. 

50

Fig. 3.2  Acetylcholine  (ACh)  activates  nicotinic,  but  not  muscarinic  cholinergic receptors in the cultured AME pacemaker neurons of Madeira cockroach. 

51

Fig. 3.3  Acetylcholine  (ACh)  activates  voltage‐dependent  calcium  channels  in  the cultured circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach. 

52

Fig. 3.4  Effects  of  histamine  (HA)  application  on  the  intracellular  calcium concentrations  in the cultured circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach. 

54

Fig. 3.5  Histamine (HA)‐dependent response of type I is dose‐dependent.  55

Fig. 3.6  Histamine  (HA)‐dependent  decreases  in  the  intracellular  calcium concentrations  of  the  cockroach  circadian  clock  neurons  are mediated  via cimetidine‐sensitive HA receptors. 

56

Fig. 3.7  Calcium responses of circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae to GABA. 

57

Page 14: A molecular and cellular analysis of the circadian system

List of figures  

 

xi  

Fig. 3.8  GABA‐dependent  inhibitory  responses  were  not  mediated  exclusively  by GABAA receptors. 

58

Fig. 3.9  Effects  of  GABAB  receptor  agonist  baclofen  on  the  intracellular  calcium concentration  in  the cultured circadian pacemaker neurons of  the Madeira cockroach.  

59

Fig. 3.10  Glutamate  (Glu)  decreased  the  intracellular  calcium  levels  in  the  cultured AME neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae. 

59

Fig. 3.11  Calcium responses of circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae to octopamine 

60

Fig. 3.12  Calcium responses of circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae to serotonin (5‐HT). 

60

Fig. 3.13  Representative examples of different types of calcium responses induced by bath applications of PDF in cultured AME neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae.   

62

Fig. 3.14  PDF‐sensitive  types  1  and  2  AME  neurons  are  dose‐dependently  and reversibly. 

63

Fig. 3.15  PDF  increased  the  Ca2+  baseline  and  the  frequency  of  oscillating  Ca2+ transients of type 1 neurons via adenylyl cyclase (AC) activation. 

65

Fig. 3.16  PDF‐induced responses in the AME neurons are not exclusively mediated by the cAMP/PKA pathway signaling. 

66

Fig. 3.17  Application of 1 μM PDF and the effect of re‐perfusion with 10 μM PDF in the same cell. 

67

Fig. 3.18  Running‐wheel  recordings  of  the  circadian  locomotor  activity  of  the cockroach Rhyparobia maderae show phase delays and phase advances after the injection of (2 x 10‐12 mol). 

69

Fig. 3.19  Phase  response  curve  (PRC)  of  histamine  (HA)  injections  compared  with saline injections for the locomotor activity rhythm of the Madeira cockroach. 

70

Fig. 3.20  Injection  of HA  between  CT  12  and  CT  15  induced  dose‐dependent  phase delays. 

70

Fig. 3.21  Position of the stainless steel microelectrode next to the AME.  72

Fig. 3.22  Extracellular  electrical  recordings  of  the  AME  (EEA‐recordings)  can  show regular activity. 

73

 

Page 15: A molecular and cellular analysis of the circadian system

List of figures  

xii  

Fig. 3.23  Distribution of the AME electrical activities over 24 circadian hours.  73

Fig. 3.24  Circadian rhythms of the electroretinograms (ERGs) amplitude level changes can be measured under LD and maintained under DD conditions. 

74

Fig. 3.25  Representative  results  for  the  cockroach  locomotor  activity  and electroretinogram (ERG) for 3 consecutive days. 

75

Fig. 3.26  Microinjections of saline and neuropeptide PDF in an example cockroach.    76

Fig. 3.27  The  average  activity  distributions  of  electrical  activity  of  AME  (EAA)  and electromyogram  (EMG)  for  seven  consecutive  days  recorded  from  a cockroach maintained in DD conditions. 

77

4. Discussion 

Fig. 4.1  Proposed mechanisms of  PDF  signaling pathways  in  the AME  neurons of  the Madeira cockroach. 

94 

 

Appendix  

Fig. A.1  Schematic representation of the system used for dual FRET and Ca2+ imaging.  114

Fig. A.2  Dual  cAMP  and  Ca2+  imaging  from  AME  neurons  using  the microinjected heterochromatic FRET‐Sensor (Fl‐Cα/DY560‐RIα) and loaded with fura‐2. 

115

Fig. A.3  The regularly spontaneously active and the silent neurons in the primary cell cultures of the AME pacemaker of the Madeira cockroach R. maderae. 

116

Fig. A.4   The  silent  AME  neurons  in  the  cultured  AME  pacemaker  of  the Madeira cockroach  were  converted  into  regularly  spontaneously  active  state  after PDF applications  

116

 

Page 16: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

xiii  

List of Tables 

    Page 

Material and methods  

Table 2.1  Summary of the components and attached equipments of the experimental setups  27 

Table 2.2  Timing for calcium imaging experiment and the EM‐CCD camera settings  30 

Table 2.3  Summary  of  drugs  and  pharmacological  agents  with  respective  concentrations used in the experiments 

32 

Table 2.4  Summary of the headstages with their respective differential amplifiers used in the extracellular experiments 

44 

Results 

Table 3.1  Effects  of  histamine  (2  x  10‐12 mol)  and  saline  (control  experiments)  injections through the compound eye on the phase of the circadian locomotor activity of the cockroach R. maderae. 

69 

Table 3.2  The period length (τ) of the locomotor activity of the cockroach R. maderae before (τ before) and after (τ after) histamine (HA) and saline injections 

70 

Page 17: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

xiv  

Contribution statements 

 

Parts of this doctoral thesis have already been published by the author. Published materials in  the  original wording  are marked with  dark  gray  and  are within  quotation marks  (e.g. "Calcium responses…"). Moreover, some  text  from  the published work  is reformatted and paraphrased here. The contributions of the author (El‐Sayed Baz) in each section are stated clearly as follows: 

Section 3.1: Neurotransmitter responses of the cultured circadian pacemaker neurons. 

• Acetylcholine (ACh) neurotransmitter 

o Dose‐response experiments were initially designed, conducted, and analyzed by Dr. Hongying Wei together with Johannes Grosshans as appeared  in: Baz E‐S, Wei HY, Grosshans J, Stengl M (2013). Calcium responses of circadian pacemaker neurons of the  cockroach  Rhyparobia  maderae  to  acetylcholine  and  histamine.  Journal  of Comparative Physiology A  199:365–374.  The  example presented  in  this part  (i.e. Fig. 3.1) was prepared by the author from similar experiments.  

 

o Pharmacological  experiments  were  designed,  performed  and  analyzed  by  the author, together with Dr. Hongying Wei as appeared in Baz et al. (2013).  

 ‐ Figures 3.2 and 3.3 present different examples, which are in principle similar to 

those which appeared in Baz et al. (2013).  

• Histamine (HA) neurotransmitter 

o Calcium  response  types,  dose‐responses,  and  pharmacological  experiments were designed,  conducted,  and  analyzed  by  the  author.  The  results  of  this  part were published in:  Baz et al. (2013).   

‐ Figures 3.4 and 3.5B  in  this  thesis are as appeared  in Baz et al.  (2013), with some format modifications. 

‐ Figures 3.5A and 3.6 present different examples, which are in principle similar to those which appeared in Baz et al. (2013). 

 

• Glutamate, serotonin, octopamine, and GABA neurotransmitters  

o The author has designed and conducted all relevant experiments presented here.  

Page 18: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Contribution statements  

xv  

Section 3.2: Signaling mechanisms of the neuropeptide pigment­dispersing factor (PDF) in the circadian pacemaker neurons. 

• Effects of PDF on calcium activity in cultured circadian pacemaker neurons. 

o The author has designed,  in collaboration with Dr. Hongying Wei, a number of  experiments  to  investigate  the  signaling  of  PDF  using  calcium  imaging. These experiments were published in: Wei H, Yasar H, Funk NW, Giese M, Baz E‐S,  Stengl  M  (2014).  Signaling  of  pigment‐dispersing  factor  (PDF)  in  the Madeira cockroach Rhyparobia maderae. PLoS ONE 9(9): e108757. The data and  figures  presented  in  this  part  were  conducted  by  the  author  unless stated otherwise. 

‐ Figures 3.13C and 3.14 are modified from Wei et al. (2014). The author has contributed to these experiments and provided some primary cell cultures during the time course of the study.   

• Effects of PDF on cAMP activity in cultured circadian pacemaker neurons. o Förster  resonance  energy  transfer  (FRET)  experiments  were  designed, 

conducted, and analyzed by the author. All of the data and figures presented in this part were conducted by the author.  

Section 3.3:  Running‐wheel assays 

• The author has designed, conducted, and analyzed all experiments in this section. 

Section 3.4:  Extracellular long‐term recordings of intact cockroaches 

o The author has: 

- established the methods,  - designed the experiments and conducted some experiments, - designed  the  animal  holder  together  with Marcel  Heim  and Marius 

Bartholmai. o Investigation and analysis of recorded signals were performed  together with 

Marcel Heim & Ildefonso Atienza López.  

o All of  the presented  figures  in  this  section  are adapted  from  recorded data that  were  obtained  by Marcel  Heim  &  Ildefonso  Atienza  López  under  the author’s guidance of their bachelor (Heim, 2014) and diploma   (López, 2014) theses, respectively. Fig. 3.21: the brain staining performed by Marcel Heim, with 

the help of Azar Massah and Andreas Arendt. 

Unless otherwise stated, all figures and tables in this thesis were prepared by the author. All of the above‐mentioned work was supervised by Prof. Dr. Monika Stengl.

Page 19: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

xvi  

Abbreviations  

5‐HT  Serotonin ‐ 5‐hydroxytryptamine   AC   adenylyl cyclase ACh   acetylcholine AME  accessory medulla  ANe   anterior neuron AOC   anterior optic commissure aPDFMe   anterior PDF‐ immunoreactive neuron AT   allatotropin  cAMP   cyclic adenosine monophosphate clk   Clock CLK   CLOCK CLK‐CYC   CLOCK‐CYCLE cry  cryptochrome CRY   CRYPTOCHROME CT   circadiane time  cyc   cycle CYC   CYCLE DD   constant darkness conditions  DFVNe   distal group of fronto‐ventral neurons DN   dorsal neurons  DN1, DN2, DN3   dorsal neuron group 1‐3 DN1a   anterior dorsal neuron group1 DN1p   posterior dorsal neuron group1 dPDFLa   PDF‐immunoreactive neuron at the posterior dorsal edge of the lamina DT   distal tract E –oscillators   evening oscillators EAA  electrical activity of the accessory medulla EMG   electromyogram Epac  exchange proteins activated by cAMP ERG  electroretinogram FSK   forskolin GABA   gamma‐aminobutyric acid GABAA  ionotropic GABA A receptors GABAB   metabotropic GABAB receptors Glu  Glutamate GTP   guanosin triphosphate HA  histamine H‐B eyelet   Hofbauer‐Bucher eyelet HCN   hyperpolarization‐activated, cyclic nucleotide‐gated cation channel IBMX   3‐isobutyl‐1‐methylxanthine ILP   inferior lateral protocerebrum IP3   inositol trisphosphate ir   immunoreactive La   lamina LD   light/dark cycle LL  Constant light conditions 

Page 20: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Abbreviations  

xvii  

l‐LNv   large ventrolateral neuron l‐LNvs   large ventro‐lateral neurons LNd   dorsal lateral neuron LNds   dorso‐lateral neurons LPN   lateral posterior neuron LPNs   posterior‐lateral neurons MALDI‐TOF   matrix‐assisted laser desorption/ionization time of flight MB   mushroom body Me   medulla MFVNe   medial group of fronto‐ventral neurons MIP   myoinhibitory peptide MNe   median neuron M‐oscillators  Morning oscillators OA   octopamine PDE   phosphodiesterase PDF   pigment dispersing factor PDFR   PDF receptor PDH  β‐pigment‐dispersing hormone per   period PER   PERIOD per /PER   period / PERIOD PI   pars intercerebralis PKA   protein kinase A PKC   protein kinase C PLC   Phospholipase C POC   posterior optic commissure pPDFMe   PDF neurons located posteriorly to the medulla PRC   phase response curve SCN   suprachiasmatic nucleus s‐LNv   small ventrolateral neuron sLNvs   small ventro‐lateral neurons SLP   superior lateral protocerebrum SMP   superior medial protocerebrum tim  Timeless TIM   TIMELESS tim /TIM   timeless / TIMELESS VACC   voltage‐activated calcium channel VIP   vasoactive intestinal peptide VLP   ventrolateral protocerebrum VMNe   ventromedian neuron VNe   ventral neuron vPDFLa   PDF‐immunoreactive neuron at the posterior ventral edge of the lamina VPNe   ventro‐posterior neuron ZT   Zeitgeber time Δφ  phase shift τ (tau)  period length 

 

Page 21: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

1  

Zusammenfassung 

Circadiane Schrittmacher koordinieren die täglichen Rhythmen in Physiologie und Verhalten in lebenden 

Organismen.  Die Madeira  Schabe  Rhyparobia  maderae  (Synonym:  Leucophaea  maderae)  ist  ein  gut 

etabliertes  Modell,  um  die  neuronalen  Mechanismen  der  circadianen  Rhythmen  bei  Insekten  zu 

studieren. Die akzessorische Medulla (AME) in den optischen Loben des Gehirns wurde als das circadiane 

Schrittmacherzentrum  der Madeira  Schabe  identifiziert,  das  circadiane  Rhythmen  in  der  Laufaktivität 

steuert. Über die Neurotransmitter der Eingangswege  in das circadiane System der Madeira Schabe  ist 

noch nicht viel bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, mögliche Eingangssignale  in die  innere Uhr 

der  Madeira  Schabe  zu  bestimmen.  An  primären  Zellkulturen  von  AME‐Neuronen  wurden  Calcium‐

Imaging  Experimente  durchgeführt,  um  die  Neurotransmitter‐abhängigen  Veränderungen  in  der 

intrazellulären  Calcium‐Konzentration  zu  messen.  Darüber  hinaus  wurde  die  Signalkaskade  des 

Neuropeptids  Pigment  Dispersing    Factor  (PDF),  dem  wichtigsten  Kopplungsfaktor  in  circadianen 

Schrittmachern  von  Insekten,  in  Calcium‐Imaging  und  Förster‐Resonanzenergietransfer  (FRET) 

Experimenten  untersucht.  Acetylcholin  (ACh)  erhöht  die  intrazelluläre  Calcium‐Konzentration  in  der 

Mehrzahl der  circadianen  Schrittmacherneurone der Madeiraschabe. Applikation  von GABA,  Serotonin 

und  Octopamin  erhöhten  oder  reduzierten  die  intrazelluläre  Calcium‐Konzentration  in  den  AME‐

Neuronen,  während  Histamin  und  Glutamat  die  intrazelluläre  Calcium‐Konzentration  ausschließlich 

reduzierten.  Pharmakologische  Experimente  zeigten,  dass  die  AME‐Neurone  ACh  über  ionotrope 

nikotinische  ACh‐Rezeptoren  detektierten,  während  GABA  über  ionotrope  GABAA‐Rezeptoren  und 

metabotrope  GABAB‐Rezeptoren  detektiert  wurde.  Diese  Ergebnisse  deuten  darauf  hin,  dass  die 

circadiane  Aktivität  der  Schabe  durch  verschiedene  Eingänge,  einschließlich  ACh,  GABA,  Glutamat, 

Histamin, Octopamin und  Serotonin, moduliert wird. Bei den  FRET  Studien wurde ein Proteinkinase A 

(PKA)‐basierter FRET  Sensor  zur Detektion von    cyclischem AMP  (cAMP) verwendet. Es wurde gezeigt, 

dass PDF über Adenylylcyclase‐abhängige und ‐unabhängige Signalwege wirken kann. Zusätzlich wurden 

Laufrad‐Assays durchgeführt, um  Phasenverschiebungen  im Rhythmus der  circadianen  Laufaktivität  zu 

detektieren,  nachdem  der  Neurotransmitter  Histamin  zu  verschiedenen  circadianen  Zeiten  injiziert 

wurde.  Histamin‐Injektionen  durch  die  Komplexaugen   der  Schabe  ergaben  eine  biphasische 

Phasenantwortkurve  (phase  response  curve) mit  Phasenverzögerungen  in  der  Laufaktivität  am  späten 

subjektiven  Tag  und  am  Beginn  der  subjektiven  Nacht  und  Phasenbeschleunigungen  in  der  späten 

subjektiven Nacht. Schließlich wurde eine extrazelluläre Ableittechnik an lebenden Schaben etabliert, die 

gleichzeitige Langzeit‐Ableitungen von der AME, des Komplexauges  (Elektroretinogramm = ERG), und der 

Beinmuskulatur  (Elektromyogramm = EMG)  für mehrere Tage ermöglichte. Diese Methode bietet einen 

Ausgangspunkt  für weitere elektrophysiologische Untersuchungen des circadianen Systems der Schabe, 

in  denen  Substanzen  (z.B.  Neurotransmitter  und Neuropeptide)  analysiert werden  können,  die  einen 

Einfluss auf den circadianen Rhythmus in der Laufaktivität haben. 

Page 22: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

2  

Summary 

Circadian pacemakers (clocks) coordinate the daily physiological and behavioral rhythms in almost all 

living organisms. The Madeira cockroach Rhyparobia maderae (syn. Leucophaea maderae) is a well‐

established model to study the neural mechanisms underlying the circadian rhythms in insects. The 

accessory medulla (AME)  in the brain’s optic  lobe of the Madeira cockroach has been  identified as 

the circadian pacemaker center that controls  its circadian  locomotor activity rhythms. Not much  is 

known about the neurotransmitters of input pathways to the cockroach circadian system. The main 

aim of  this  thesis was  to determine possible  input  signals  into  the  circadian  clock of  the Madeira 

cockroach. Ca2+‐imaging on the primary cell cultures of the AME neurons was performed to measure 

the  neurotransmitter‐dependent  changes  in  the  intracellular  Ca2+  concentration.  Moreover,  the 

signaling mechanisms  of  the  neuropeptide  pigment‐dispersing  factor  (PDF),  the most  important 

coupling  factor  of  the  insect  circadian  pacemakers,  were  investigated  using  Ca2+‐imaging  and 

fluorescence  resonance  energy  transfer  (FRET)  experiments.  Acetylcholine  (ACh)  increased  the 

intracellular  calcium  concentration  in  the  majority  of  the  circadian  pacemaker  neurons  of  the 

Madeira cockroach. Applications of GABA, serotonin and octopamine were observed to increase and 

decrease  the  intracellular  calcium  levels  in  the  AME  neurons,  while  histamine  and  glutamate 

decreased the intracellular calcium levels in the AME neurons. Pharmacological experiments showed 

that the AME neurons were responsive to ACh via ionotropic nicotinic receptors, while GABA acts on 

ionotropic  GABAA  receptors  and  metabotropic  GABAB  receptors.  These results  suggest  that  the 

cockroach circadian activity is modulated by several different inputs, including acetylcholine, GABA, 

glutamate, histamine, octopamine, and serotonin. FRET studies employed a protein kinase A (PKA)‐

FRET‐based sensor for cyclic AMP and showed that PDF signals via adenylyl cyclase‐dependent and             

‐independent  pathways.  In  addition,  running‐wheel  assays  were  performed  to  determine  phase 

shifts of  the  circadian  locomotor  activity  rhythms  following  the  injection of  the neurotransmitter 

histamine at different  circadian  times.  Injections of histamine  through  the  compound eyes of  the 

cockroach  revealed a biphasic phase  response curve with phase delays  in  the circadian  locomotor 

activity rhythm at the late subjective day/beginning of the subjective night and advances at the late 

subjective night. Finally, an extracellular recording technique on  living cockroaches was established 

to allow simultaneous long‐term recordings from the AME, the eye (electroretinogram), and the leg 

muscle  (electromyogram)  activity  for  several  days.  This method will  provide  a  starting  point  for 

further electrophysiological  studies of  the  cockroach  circadian  system  that  aim  to  investigate  the 

substances  (e.g.  neurotransmitters  and  neuropeptides)  that  have  an  influence  on  the  circadian 

rhythm of the locomotor behavior.   

Page 23: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

3  

 

1. Introduction 

1.1. Circadian rhythms 

Circadian  (Latin,  circa  =  approximately;  dies  =  day)  rhythms  are  any  physiological 

oscillations  and  behavioral  patterns with  a  period  close  to  24‐hours.  They  have  been 

observed  in  most,  if  not  all,  living  organisms  from  cyanobacteria  to  insects  and 

vertebrates. Circadian rhythms are regulated by a self‐sustained and autonomous clock 

(= circadian pacemaker). Central circadian pacemakers that control the animal´s behavior 

are  located  in  insects  in neuropils associated with  the visual system  (Nishiitsutsuji‐Uwo 

and Pittendrigh, 1968a, Stengl and Homberg, 1994),  in mollusks directly associated with 

the eyes  (Eskin, 1979),  in birds  in  the pineal gland  (Gaston and Menaker, 1968), and  in 

mammals in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus (Moore and Eichler, 

1972).  Circadian  rhythms  are  characterized  by  specific  properties.  First,  they  can  be 

entrained/synchronized  by  rhythmic  environmental  external  cues  or  inputs  (e.g. 

day/night  cycles).  This  external  time  cues  are  called  Zeitgebers  (German  for  ‘time 

giver’). Second,  they cycle autonomously  in absence of any external  time with a period 

length of approximately 24‐hours (endogenous free‐running period). Third, the period of 

the rhythm remains constant over a wide range of temperatures, this propriety is known 

as  temperature‐compensation.  The  circadian  clock  system  (Fig.  1.1)  consists  of  the 

endogenous pacemaker, which generates an oscillation of about 24 hours, entrainment 

pathways,  which  are  able  to  phase‐shift  the  pacemakers  oscillation  daytime‐

dependently), and output pathways (to effectors) (Helfrich‐Förster et al., 1998, Homberg 

et al., 2003, Roenneberg and Merrow, 2005). Furthermore, the effectors feedback to the 

pacemaker  and/or  entrainment  pathways  components  (Golombek  and  Rosenstein, 

2010).

The  treatment  with  stimuli  like  light  pulses  or  pulses  of  drugs  (e.g.  hormones 

neurotransmitters, neuropeptides, etc) can accelerate ‘advance’ or slow down ‘delay’ the 

circadian oscillator, causing phase shifts  (Rusak and Bina, 1990). Phase response curves 

(PRCs,  Fig.  1.2),  describe  the  relation  between  the  circadian  time  and  stimulus‐

Page 24: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

4  

dependent phase shifts. In PRC, the amplitude of the phase shifts in hours (Δφ) is plotted 

on the Y‐axis against the circadian time on the X‐Axis. The circadian time (CT)  is divided 

into subjective day (from CT0 to CT12) and subjective night (from CT12 to CT24). Usually, 

CT  12  is  defined  as  the  onset  of  the  locomotor  activity  rhythm  of  a  nocturnal  animal 

under  free‐running conditions  (Saunders et al., 2002, Golombek and Rosenstein, 2010). 

The CT  is measured with  respect  to  a phase  reference point  (φ).  The  closest distance 

between the same phases is the period (τ = tau). Therefore, one circadian hour equals to 

τ/24‐hours (Golombek and Rosenstein, 2010). Depending on the CT, light pulses advance 

or delay if the animals are kept in DD conditions (Saunders et al., 2002). The exposure of 

an  animal  in  a  running wheel  to  light  during  the  subjective  day  has  no  effect  on  the 

circadian  locomotor activity rhythms. However,  light at the early night (dusk) delays the 

locomotor activity  rhythms, while  light at  the  late night/early day  (dawn) advances  the 

locomotor activity rhythms (Wiedenmann, 1977, Page and Barrett, 1989, Golombek and 

Rosenstein, 2010). PRCs with both phase delays and phase advances, such as  the  light‐

dependent PRC are called “biphasic PRCs”, while PRCs with either only phase advances or 

phase  delays  are  called  “monophasic  PRCs”  (Golombek  and  Rosenstein,  2010).  Photic 

PRCs are biphasic, while the non‐photic PRCs do not resemble a light‐dependent biphasic 

PRC (Golombek and Rosenstein, 2010).  

 

Fig.  1.1: Model  of  a  circadian  system.  The  circadian  system  consists  of  input  pathways,  rhythm generators  (oscillator), and output pathways. The  input signals are received via receptors (e.g.  photoreceptors),  and  then  delivered  to  a  pacemaker  that  generates  the  circadian rhythm (oscillator). Input signals may also influence the effectors without the participation of  the  clock  (masking).  Solid  line  arrows  indicate  pathways  between  the  components. Dotted  line  arrows  show  feedbacks  from  the  effectors  to  the  pacemaker  and/or entrainment components. This scheme is a flowchart that is commonly used as a model of circadian systems among chronobiologists. Modified from Roenneberg and Merrow (2000), Friesen et al. (2001) & Golombek and Rosenstein (2010).  

feedback

~Zeitgebers 

Entrainment Pathway

Endogenous oscillator

Effectorpathway

input outputLight Temperature  re

ceptors

Physiology/ Behaviore.g. body temperature

locomotor activity

Page 25: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

5  

 

Fig. 1.2: Schematic outline of a phase  response curve  (PRC) of circadian  rhythms  in  response  to treatment  with  a  stimulus  (e.g.  light,  neurotransmitters,  or  neuropeptides).  (A) Representative  actograms  for  the  locomotor  activity  rhythm  (black  bars)  of  a  nocturnal animal kept in constant darkness (DD). The free‐running period (τ) is shorter than 24‐hours. The beginning of  the  activity  is  the  phase  reference point  (CT12) which determines  the circadian  time  (CT). At different times of the day, the animal was  injected with the same stimulus: 1: at CT 06, no change; 2: at CT 16, phase shift delay (‐Δφ); 3: at CT 21, phase shift delay  (+Δφ).  (B)  A  representative  PRC  shows  the  phase  shifts  against  the  CT  after  the injection of the stimulus (A 1‐3). The open bar at the bottom of the graph represents the subjective day while the black bar represents the subjective night. Modified  from Refinetti (2006) & Golombek and Rosenstein (2010).  

1.2. Cellular and molecular basis of the insect circadian clocks 

As mentioned above,  the circadian clocks drive  the circadian  rhythms with a period of 

about 24 hours. The circadian pacemakers  that control  the physiology and behavior of 

most  insects  are  clusters  or  populations  of  neurons  located  in  specific  regions  of  the 

brain  (i.e.  the optic and cerebral  lobes)  (reviews: Helfrich‐Förster et al., 1998, Tomioka 

and Matsumoto, 2010).  In addition to the brain clocks, there are circadian oscillators  in 

some peripheral  organs such as the Malpighian tubules, the gut, the antennae, and the 

eyes  (Giebultowicz  and Hege,  1997, Myers  et  al.,  2003, Merlin  et  al.,  2007,  Ito  et  al., 

2008,  Uryu  and  Tomioka,  2010).  Lesion  and  transplantation  experiments  located  the 

circadian  pacemaker,  which  controls  the  locomotor  activity  rhythms  in  the  Madeira 

days123456789101112131415

‐Δφ +Δφ

A1 2 3

subjective day subjective night

Advance  +Δφ

Delay  ‐Δφ

Circadian time (h)

Phase shift 1

2

3B

Page 26: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

6  

cockroach  Rhyparobia  maderae,  in  the  accessory  medulla  (AME)  with  associated 

pigment‐dispersing factor–immunoreactive (PDF‐ir) neurons, ventrally to the optic lobe’s 

medulla  (Stengl  and  Homberg,  1994,  Reischig  and  Stengl,  2003b).  In  the  fruitfly 

Drosophila melanogaster,  the PDF‐ir neurons, which express  the  circadian  clock genes, 

are  also  circadian pacemakers which  arborize  in  the AME  (Helfrich‐Förster, 2006). The 

following sections will briefly summarize the cellular and molecular organization of two 

insects’ circadian clocks: the pacemaker of the cockroach R. maderae, the animal species 

model  used  in  this  thesis;  and  the  pacemaker  of  the D. melanogaster, with  the  best‐

studied cellular and molecular circadian clock. 

1.2.1. The circadian clock system of the fruitfly Drosophila melanogaster 

Cellular and molecular components of the circadian pacemakers in D. melanogaster

There  are  about  150  circadian  neurons  in  the  brain  of  Drosophila,  expressing  the 

circadian  clock  genes  (reviews:  Peschel  and  Helfrich‐Förster,  2011,  Helfrich‐Förster, 

2014).  The  circadian  neurons  are  divided  into  several  groups  according  to  their 

anatomical position and size (Fig. 1.3). The dorsal neurons (DN) consist of three groups: 

DN1a,p,  DN2,  and  DN3;  the  lateral  neurons  (LN)  consist  of  four  groups:  dorso‐lateral 

neurons  (LNd),  large  ventrolateral  neurons  (l‐LNv),  small  ventrolateral  neurons  (s‐LNv), 

and  lateral  posterior  neurons  (LPN)  (Helfrich‐Förster,  2003,  2006,  Tomioka  and 

Matsumoto, 2010, Peschel and Helfrich‐Förster, 2011). Four s‐LNv and four l‐LNv neurons 

are pigment dispersing factor (PDF) positive (Helfrich‐Förster, 1995). Moreover, there  is 

one PDF negative s‐LNv (5th s‐LNv). The study of the circadian neuron projections reveals 

that  all  known  neurons with  projections,  except  the  I‐LNvs,  send  their  fibers  into  the 

dorsal  protocerebrum  (Helfrich‐Forster,  2005, Helfrich‐Förster  et  al.,  2007)  (Fig.  1.3A). 

The AME receives arborizations from the s‐LNv and  l‐LNv cells (PDF positive neurons),  in 

addition  to  few  DN1  and  DN3  cells  (Helfrich‐Förster  et  al.,  2007).  Next  to  PDF,  clock 

neurons  show  immunoreactivity  against  several  peptides/proteins  (Fig.  1.3B);  such  as 

neuropeptide  F  (NPF)  (Hermann  et  al.,  2012),  cryptochrome  (Cry),  IPNamide  (IPNa) 

(Shafer et al., 2006), and short neuropeptide F  (sNPF)  (Johard et al., 2009).  In addition, 

Page 27: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

7  

the clock neurons utilize neurotransmitters such as acetylcholine and glutamate (Johard 

et al., 2009, Collins et al., 2012). 

 

 

 Fig. 1.3: Clock‐gene‐expressing neurons in the brain of Drosophila. (A) A schematic diagram of the 

brain shows the circadian clock neurons and their projections. Different groups of circadian neurons  are  labeled  with  different  colors.  The  dorsal  neurons  consist  of  three  groups named DN1a,p, DN2, and DN3, while the  lateral neurons consist of four groups: dorsolateral neurons (LNd), large ventrolateral neurons (l‐LNv, four cells), small ventrolateral neurons (s‐LNv,  four  cells  +  a  5

th  s‐LNv),  and  lateral  posterior  neurons  (LPN).  The  accessory medulla (AME) receives aborizations from the s‐LNv and l‐LNv cells (PDF positive neurons). Also, few DN1 and DN3 cells send fibers to the AME. As shown on the right side of the brain, the light is transmitted  from photoreceptor cells R1–6 and R7/8 of  the compound eye and  from  the Hofbauer‐Bucher  (H‐B)  eyelet  (from:  Helfrich‐Förster  et  al.  (2007)).  (B)  Neurochemical characterization  of  the  circadian  clock  neurons  in  the  brain  and  PDF  aborization.  The expressed  peptides/proteins  in  the  different  circadian  neurons  are  labeled  in  different colors. Modified from Peschel and Helfrich‐Förster (2011). 

A

B

AME

Cryptochrome (Cry) 

short Neuropeptide F (sNPF) Neuropeptide F (NPF)ion transport peptide (ITP)choline acetyltransferase (Cha)

IPN‐amideUnknown peptidergic content 

Pigment dispersing factor (PDF) 

POT

Page 28: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

8  

 

D. melanogaster  expresses  a bimodal  locomotor  activity pattern with morning  (M)‐ 

and evening (E)‐activity (review: Helfrich‐Förster, 2014). The M‐activity peak is controlled 

by the PDF expressing s‐LNv neurons, while the E‐activity peak  is controlled by the  fifth 

sLNv and the three CRY‐positive LNd neurons  (Fig1.4)  (Grima et al., 2004, Stoleru et al., 

2004, Rieger et  al., 2006, Tomioka  and Matsumoto, 2010, Yoshii et  al., 2012, Yao  and 

Shafer, 2014). However, E‐cells were capable of controlling both of the M‐activity and E‐

activity patterns depending on  the environmental  conditions. Some other neurons  like 

the DN  can  strongly  contribute  to drive M‐activity  and  E‐activity  (Sheeba  et  al.,  2010, 

Zhang et al., 2010, Hermann‐Luibl and Helfrich‐Förster, 2015). 

 

 

 

 

Fig. 1.4:  Morning (M) and evening (E) oscillators in the brain of Drosophila Melanogaster. The PDF expressing  s‐LNv neurons  control  the M peak of activity and  therefore  they  identified as morning cells  (M‐cells, red), while  the E‐activity peak  is controlled by  the  fifth sLNv  (5th) and the three CRY‐positive LNd neurons, therefore they identified as evening cells (E‐cells, yellow).  Also  the DN  neurons  can  contribute  to  the  control  of M‐activity  and  E‐activity peak. E‐oscillator appears to be dominant under constant light (LL) conditions. In constant darkness (DD) conditions, the M‐cells act as dominant master oscillator governing over the E‐slave oscillator. Abbreviations: see Figure 1.3. Modified from Hermann‐Luibl and Helfrich‐Förster,(2015). 

Page 29: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

9  

Molecular mechanisms of D. melanogaster clock system

Following  the  discovery  of  the first  clock gene,  period  (per),  by  Konopka  and  Benzer 

(1971), several other clock genes were isolated and identified in Drosophila: e.g. timeless 

(tim)  (Sehgal et al., 1994), doubletime  (dbt)  (Kloss et al., 1998, Price et al., 1998), clock 

(clk) (Allada et al., 1998), cycle (cyc) (Rutila et al., 1998), cryptochrome (cry) (Stanewsky et 

al., 1998), vrille (Blau and Young, 1999), and shaggy (sgg) (Martinek et al., 2001). At least 

two  feedback  loops  in  gene  expression  were  identified  in  the  circadian  oscillator  of 

Drosophila  that  are  interlocked  to  oscillate with  a  period  of  about  24  h;  such  as  the 

per/tim  feedback  loop and  the Clk  feedback  loop  (Emerson et al., 2009, Hardin, 2011). 

The per/tim transcriptional feedback  loop  is presented  in Figure 1.5. The circadian cycle 

initiates around the mid‐day when per and tim mRNA levels rise. The transcription of the 

per  and  tim  genes  start  when  the  transcription  factors  CLOCK/CYCLE  (CLK/CYC) 

heterodimers bind  to  the  respective E‐boxes  (Emerson et al., 2009, Hardin, 2011). The 

transcription of per and tim  is repressed by the binding of a complex PERIOD (PER) and 

TIMELESS  (TIM) proteins  to CLK and CYC  (Hardin, 2005, 2011). The maximum  levels of 

PER and TIM proteins occur at the  late night. Then, PER and TIM move  into the nucleus 

either  as heterodimers or  independently  from each other and  interfere with CLK/CYC‐

dependent  activation  (Stanewsky,  2002).  Following  the  light  exposure  in  the morning, 

CRYPTOCHROME (CRY)  is activated to reset the clock since CRY binds and degrades TIM 

and,  subsequently,  leads  to  the  degradation  of  PER  (Tomioka  and Matsumoto,  2010, 

Hardin, 2011, Peschel and Helfrich‐Förster, 2011). 

 

Fig. 1.5: The PER/TIM‐dependent  circadian  core  feedback  loop  in D. melanogaster. CLOCK  (CLK) and CYCLE (CYC) bind as a heterodimer to the E‐box of the timeless (tim) and period (per) promoter. per and tim mRNA are moved to the cytoplasm and translated into PERIOD (PER) and TIMELESS (TIM) proteins. PER and TIM accumulate in the cytoplasm and move into the nucleus to inhibit their  own  gene  transcription.  For  details  see  text. Modified  from  Tomioka  and Matsumoto (2010).  

Nucleus Cytoplasm

TIM

CLKCYC

PERperiod

timelessTIM

TIMPER

degradation

CRY

CRYE-box

E-boxlight

Page 30: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

10  

1.2.2. The circadian clock system in Rhyparobia maderae 

The Madeira  cockroach  Rhyparobia maderae  (Syn.:  Leucophaea maderae)  (Fig.  1.6)  is 

also a well‐established model for understanding the circadian clock system in insects. The 

Madeira cockroach was the first animal, where an endogenous circadian pacemaker was 

localized (Nishiitsutsuji‐Uwo and Pittendrigh, 1968b). Lesion and transplantation studies, 

in  combination with  immunocytochemistry,  first  located  the  circadian  clock  controlling 

locomotor  rhythms  in  the optic  lobes  (Nishiitsutsuji‐Uwo and Pittendrigh, 1968b, Page, 

1982,  Stengl and Homberg, 1994, Reischig and Stengl, 2003a).  Further  studies  showed 

that  the  clock  is  located  in  the  accessory medulla  (AME  singular;  accessory medullae, 

AMAE,  plural)  in  association  with  PDF‐immunoreactive  (PDF‐ir)  neurons  (Stengl  and 

Homberg, 1994, Reischig and Stengl, 2003a).  

 

Fig. 1.6: Dorsal view of the adult male cockroach Rhyparobia maderae. 

 

The accessory medulla (AME)

The AME of  the  cockroach  Rhyparobia maderae is a  small, pear‐shaped,  non‐

retinotopically organized neuropil, which is located at the inner ventromedial edge of the 

medulla of both optic lobes (Petri et al., 1995, Reischig and Stengl, 1996, Homberg et al., 

2003).  The  AME  consists  of  glomeruli  (noduli)  neuropile  and  interglomerular  (interior 

neuropile) region that is surrounded by a shell neuropil (Reischig and Stengl, 2003b). The 

prominent  input pathway  into  the AME  is  through  the distal  tract which  connects  the 

noduli  of  the AME  to  the medulla,  and  possibly  also  the  lamina  (Reischig  and  Stengl, 

1 cm

Page 31: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

11  

1996).  About  250  neurons  are  associated with  the  AME  neuropil  (Fig.  1.7).  They  are 

divided into 7 groups, named relative to their location to the AME and their morphologic 

criteria:  anterior  neurons  (ANe),  distal  and medial‐frontoventral  neurons  (DFVNe  and 

MFVNe), medial neurons  (MNe), ventral neurons  (VNe), ventromedial neurons  (VMNe), 

and  ventroposterior  (VPNe)  neurons  (Reischig  and  Stengl,  1996,  2003b,  Söhler  et  al., 

2008).  Several  neuropeptides  and  neurotransmitters  have  been  localized  in  the  AME 

associated neurons by using immunocytochemistry and mass‐spectrometry; such as PDF, 

allatotropin  (AT),  baratin,  corazonin,  FMRFamid  related  peptides,  leucomyosuppressin, 

short neuropeptide F (sNPF), gastrin/cholecystokinin,  leucokinin, myoinhibitory peptides 

(MIP), orcokinin (ORC), histamine , γ‐aminobutyric acid (GABA), and serotonin (Homberg 

et  al.,  1991,  Stengl  and Homberg,  1994,  Petri  et  al.,  1995,  Reischig  and  Stengl,  1996, 

Nässel, 2000, Petri et al., 2002, Reischig and Stengl, 2003b, Hofer and Homberg, 2006, 

Söhler et al., 2007, Söhler et al., 2008, Schulze et al., 2012)   

 

 

 

Fig.  1.7:  3D‐reconstruction  shows  the  accessory  medulla  (AME)  and  its  associated  neurons. Abbreviations:  DT:  distal  tract,  DFVNe:  distal‐frontoventral  neurons,  MFVNe:  medial‐frontoventral  neurons,  MNe:  median  neurons,  VMNe:  ventromedian  neurons,  VNe: ventral neurons, VPNe: ventroposterior neurons. Anterior neurons are not shown. Scale bar = 50 µm. Modified from Reischig and Stengl (2003b). 

   

AMEDT

MNe

Page 32: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

12  

PDF-immunoreactive neurons

The structure of PDF‐ir neurons has been extensively  investigated. Antisera  against  the 

neuropeptide  PDF  located  four  groups  of  PDF‐immunoreactive  (PDF‐ir)  neurons  in  the 

optic  lope of Madeira cockroach (Fig. 1.8): the anterior medulla neurons (aPDFMe) and 

the posterior medulla neurons (pPDFMe) are  located near to the AME, while the dorsal 

lamina neurons  (dPDFLa) and  the ventral  lamina neurons  (vPDFLa) occur  in  the  lamina 

(Petri et al., 1995, Reischig and Stengl, 2003b). The characterization of aPDFMe was well‐

studied  (review: Homberg  et  al.,  2003).  The  aPDFMe  neurons  consist  of  about  twelve 

neurons with different  sizes; which can be divided  into  four  small‐,  four medium‐, and 

four  large‐neurons (with one conspicuously  largest neuron). The four  large and medium 

aPDFMes neurons belong to the VNes, while the  four small aPDFMe neurons belong to 

the  DFVNes  (Reischig  and  Stengl,  2003b).  The  aPDFMe  neurons  couple  both  the 

contralateral AMAE with the optic lobe neuropils and the neuropils in the central brain as 

circadian  coupling pathways  (Fig. 1.9)  (Reischig and Stengl, 2002, Reischig et al., 2004, 

Söhler  et  al.,  2011).  The  largest  aPDFMe  neuron  forms  connections  between  the 

bilaterally‐symmetric AMAE via the anterior and posterior optic commissure (AOC, POC), 

and  branches  apparently  in  all  PDF‐target  areas,  also  in  the  medulla  and  lamina 

(Homberg  et  al.,  2003).  In  contrast,  about  three  medium‐sized  aPDFMes  form  a 

connection to the contralateral AMAE, only via the AOC (Reischig et al., 2004, Söhler et 

al., 2011). Branches of the small aPDFMe neurons appear to be limited to the ipsilateral 

AME  and  possibly  other  ipsilateral  optic  lobe  neuropils  (Reischig  and  Stengl,  2003b). 

Interestingly,  the  PDFMe  neurons  and  their  branches  exhibit morphological  plasticity 

when  the  animal  treated  with  different  photoperiods.  For  example,  the  number  of 

medium‐sized  aPDFMes  decreases  in  animals  reared  in  shorter  Zeitgeber  periods  (e.g. 

11:11 LD), while  increases  in animals raised  in  longer photoperiods (e.g. 13:13 LD) (Wei 

and  Stengl,  2011).  This  indicates  that  PDFMes  appear  to  play  important  roles  in  the 

photoperiodic adjustment to the annual changes, as in other insect species (Shiga, 2013). 

   

Page 33: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

13  

 

Fig. 1.8: A 3D‐reconstruction of the Madeira cockroach optic lobe shows the PDF‐immunoreactive (PDF‐ir)  somata  and  fibers.  Two  PDF‐ir  groups  are  next  to  the medulla  (Me):  anterior medulla (aPDFMe) and posterior medulla (pPDFMe) neurons. Two PDF‐ir groups are next to the  lamina (La): dorsal  lamina (dPDFLa) and ventral  lamina (vPDFLa) neurons. The aPDFMe neurons  are  subdivided  into  three  sub‐groups  according  to  their  cells  size:  small  (blue), medium  (green), and  large  (yellow, with a  largest neuron  in red). Arrow shows  that some fibers from the first optic chiasma (1. OC) enter the distal layer of the La. Scale bar = 50 µm. Modified from Wei et al. (2010). 

 

Fig 1.9: The contralaterally projections of  the  largest and medium‐sized aPDFMe neurons  in  the Madeira  cockroach.  The  largest  aPDFMe  neuron  forms  a  connection  between  the contralateral  AMAE  via  the  anterior  and  posterior  optic  commissure  (AOC,  POC),  and processes  into  the medulla  (Me) and  the  lamina  (La). This neuron  is branching  in all PDF‐target  areas.  The  medium‐sized  aPDFMe  form  a  connection  between  the  contralateral AMAE only  via  the AOC, branching  in  the dorsal  lateral protocerebrum  (dSLP)  and other areas of the SLP and SMP; while the posterior PDFMe appears to terminate in the posterior optic  tubercles  (POTu).  Abbreviations:  AME:  accessory medulla;  ILP:  the  inferior  lateral protocerebrum;  SLP:  superior  lateral  protocerebrum;  SMP:  superior  median protocerebrum) (From: Söhler et al. (2011)). 

   

AME

AME

Page 34: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

14  

Light input pathway to the accessory medulla

It was shown only that photoreceptors in or close to the compound eye are essential for 

the  photic  entrainment  with  high  intensity  light:dark  (L:D)  cycles  (Roberts,  1965, 

Nishiitsutsuji‐Uwo  and  Pittendrigh,  1968b,  Roberts,  1974).  In  addition,  lesion 

experiments  showed  that  ipsi‐  and  the  contralateral  compound  eyes  relay  light  input 

information  to  the AME  (Page et al., 1977, Page, 1978). Studies have shown  that HA  is 

the neurotransmitter of  insect photoreceptors (Hardie, 1987, 1988, 1989, Stuart, 1999). 

The  distribution  analysis  of  HA‐immunoreactive  (HA‐ir)  neuron  in  the  brain  of  the 

Madeira cockroach showed that there are no direct connections between the compound 

eye  photoreceptors  and  the  AME  (Loesel  and Homberg,  1999),  but  there  is  only  one 

centrifugal  HA‐ir  neuron  appeared  to  connect  between  the  AME  and  the medulla  to 

different regions in the lateral protocerebrum (Loesel and Homberg, 1999). Therefore, it 

was hypothesized  that HA may not be  involved  in  the  light entrainment, but as a non‐

photic  input  (Loesel  and Homberg,  1999).  At  present,  several  candidates  for  the  light 

entrainment pathway of the clock of the Madeira cockroach were suggested (Schulze et 

al., 2013, Schendzielorz and Stengl, 2014); however, no much is known about the cellular 

and physiological nature of  light entrainment pathways or other non‐photic  inputs  (Baz 

et al., 2013). Ipsilateral light inputs are transmitted to the glomeruli of the AME via the γ‐

aminobutyric  acid  (GABA)‐immunoreactive  distal  tract  since  the  distal  tract  connects 

different  layers of  the medulla  and possibly  also  the  lamina with  the  glomeruli of  the 

AME (Reischig and Stengl, 1996, Petri et al., 2002, Schendzielorz and Stengl, 2014). The 

contralateral  light  inputs are apparently mediated via the orcokinin  (ORC)‐ir neurons of 

the  AME  and  are  projected  via  the  posterior  optic  commissure  (POC)  (Hofer  and 

Homberg,  2006).  Allatotropin  (AT)‐ir  local  neurons  of  the  AME  appear  to  receive  the 

information  from the distal tract  (Petri et al., 1995, Reischig and Stengl, 2003b). So  far, 

distal tract neurons do not appear to have either MIP‐, AT‐, or ORC‐ir processes, so  it  is 

suggested that distal tract neurons signal only via GABA (Schendzielorz and Stengl, 2014). 

Additionally, a possible role of myoinhibitory peptide (MIP)  is suggested to transmit the 

photic  information  to  the  AME  (Schendzielorz  and  Stengl,  2014).  The  suggested 

peptidergic  and  GABAergic  light  entrainment  pathway  in  the  AME  of  the  Madeira 

cockroach is shown in Figure 1.10. 

Page 35: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

15  

 

 

 

Fig.  1.10: A  scheme  of  a  possible  peptidergic  and GABAergic  light  entrainment  pathway  in  the 

circadian clock (AME) of the Madeira cockroach. The expressed peptides/transmitters in 

different neurons are labeled with different colors. Abbreviations: AT: allatotropin; GABA: 

γ‐aminobutyric  acid; MIP: myoinhibitory  peptide; ORC:  orcokinin.  Ipsilateral  light  input 

can be conveyed to the glomeruli (grey color) of the AME via the GABA‐immunoreactive 

distal tract  (DT). The distal tract combines different  layers of the medulla  (ME) with the 

glomeruli of the AME. Moreover, the median AME neurons (MNes) can provide ipsilateral 

light  information via  their connection between  the glomeruli of  the AME,  the medulla, 

the accessory laminae (ALae), and the proximal lamina (La). It is suggested that the local 

distal‐frontoventral neurons of the AME (DFVNe) with either AL or colocalized GABA and 

MIP or GABA and AT may be postsynaptic to distal tract neurons or median AME neurons 

(MNes). Additionally,  the  contralateral  light  input  can be provided by a MIP‐ and ORC‐

colabeled ventral AME neuron (VNe), which projects via the lobula valley tract (LoVT) and 

the anterior optic commissure (AOC) to the contralateral optic lobe. ORC‐immunoreactive 

and one orcokinin‐ and MIP‐colabeled ventromedian AME neuron (VMNe) are suggested 

to transmit the contralateral photic input. These cells send fibers to the medulla and the 

interglomerular region of the AME, and connect to the other AME via the LoVT and the 

posterior  optic  commissure  (POC).  (slightly  modified  from:  Schendzielorz  and  Stengl 

(2014)). 

   

Allatotropin (AT)

GABA

Myoinhibitory peptide (MIP)

Orcokinin (ORC)

AME

Page 36: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

16  

Phase response curves of different neuroactive substances suggest their role as clock inputs  

Behavioral assays showed that light pulses at different circadian times reveal a PRC with 

phase  delays  at  the  early  subjective  night  (dusk)  and  phase  advances  at  the  late 

subjective  night  (Wiedenmann,  1977,  Page  and  Barrett,  1989).  Injection  studies, 

combined with behavioral assays, were performed to search for  light‐like phase‐shifting 

inputs  to  the  circadian  clock;  by  comparing  the  light‐dependent  PRCs  to  the  obtained 

PRCs after the treatment with different neuroactive substances such as: serotonin (Page, 

1987),  PDF  (Petri  and  Stengl,  1997),  GABA,  AT  (Petri  et  al.,  2002),  ORC  (Hofer  and 

Homberg,  2006),  Rhyparobia‐myoinhibitory  peptide‐1  (MIP‐1)  (Schulze  et  al.,  2013), 

acetylcholine  (ACh)  (Schendzielorz,  2013),  8‐br‐cAMP,  8‐br‐cGMP  (Schendzielorz  et  al., 

2014),  and  Rhyparobia‐MIP‐2  (Schendzielorz  and  Stengl,  2014)  (Fig.  1.11).  Injection  of 

PDF  showed  a monophasic  PRC  with  phase  delays  at  dusk  (Petri  and  Stengl,  1997). 

Interestingly, some of these substances show biphasic PRCs, that share the same polarity 

to light‐dependent phase shifts (e.g. AT, ORC, GABA and 8‐br‐cAMP), suggesting that they 

take  a part  in  the  light‐entrainment pathways  to  the  circadian  clock. Moreover, other 

substances (except MIP‐2: see below) show all‐delay monophasic PRCs at times similar to 

the  light‐dependent delay shifts, suggesting their possible  inputs (not necessarily photic 

inputs) to the clock to maintain the endogenous period length of the Madeira cockroach. 

Only the  injection with MIP‐2  is shown to result  in an all‐advance monophasic PRC with 

its maximal effect at late subjective night (Schendzielorz and Stengl, 2014).    

Molecular mechanisms of R. maderae clock system

Not  much  is  known  about  the  clock  genes  in  the  circadian  system  of  the  Madeira 

cockroach, although cockroaches are an established model in the circadian research. The 

first  molecular  data  of  the  R.  maderae  circadian  clock  has  been  recently  published 

(Werckenthin et al., 2012).  It has been reported that period (per), timeless 1 (tim1), and 

mammalian‐type  cryptochrome  (cry2)  are most  likely  part  of  the Madeira  cockroach 

nuclear circadian clock. Moreover, it was noted that there are circadian expression levels 

of  these  genes  oscillated with  peaks  in  the  first  half  of  the  night.  Short‐day  animals 

showed a lower daily mean of expression levels than the long‐day animals (Werckenthin 

et al., 2012).     

Page 37: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

17  

 

Fig.  1.11:  A  Comparison  between  a  light‐dependent  PRC  and  the  neuroactive‐substance‐dependent PRCs in R. maderae. These PRCs were re‐drawn and modified after: Page and Barrett (1989) A; Page, (1987) B; Petri and Stengl  (1997) C1; Schendzielorz et al. (2014) C2; Schulze et al. (2013) D; Schendzielorz and Stengl, (2014) E; Petri et al., (2002) F and G; Hofer and Homberg (2006) H; Schendzielorz, (2013) I. Abbreviations: 5‐HT: serotonin; PDF: pigment dispersing factor; MIP: myoinhibitory peptide; GABA: γ‐aminobutyric acid; Mas‐AT: Mas‐allatotropin; ORC: orcokinin; ACh: acetylcholine. Blue dotted‐line curves (B‐I) show PRC for light. For details see text. 

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Light

Rhyparobia‐MIP‐1

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Phase shift (h) 

Rhyparobia‐MIP‐2

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Phase shift (h) 

Subjective day Subjective night

GABA

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Phase shift  (h)

Mas‐AT

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Phase shift  (h)

ORC

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Phase shift (h) 

5‐HT

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Phase shift (h) 

ACh

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Phase shift (h) 

PDF

Circadian time (h)0 06 12 18 24

4

2

0

‐2

‐4

Phase shift (h) 

A

B

C

D

E

F

G

H

I

1

2

Page 38: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

18  

1.3. The neuropeptide pigment­dispersing factor (PDF) 

The insect neuropeptide PDF plays many roles in the circadian system network such as a 

coupling  pathway  between  pacemakers,  an  output  pathway  to  the  locomotor  control 

centers, and as possible part of the light entrainment pathway (Reischig et al., 2004, Lee 

et al., 2009, Helfrich‐Förster, 2014, Shafer and Yao, 2014).  Interestingly,  the  functional 

role of PDF in insect’s circadian systems is similar to the role of neuropeptide vasoactive 

intestinal  peptide  (VIP)  in  the  mammalian  circadian  system  (Homberg  et  al.,  1991, 

Helfrich‐Förster, 1995, Vosko et al., 2007, An et al., 2011, Wei et al., 2014). Despite of the 

critical necessary of these neuropeptides, their signaling pathways are poorly understood 

(Schneider and Stengl, 2005, Pakhotin et al., 2006, Taghert and Nitabach, 2012, Kudo et 

al., 2013, Wei et  al., 2014).  The  Identification of  the  receptors of PDF  (PDFR)  and VIP 

(VPAC2R) revealed that they are G protein‐coupled receptors (GPCRs) (Aton et al., 2005, 

Hyun  et  al.,  2005, Mertens  et  al.,  2005). Both  signal  through  increases  in  the  level  of 

intracellular  cyclic  adenosine monophosphate  (cAMP)  (Aton  et  al.,  2005,  Hyun  et  al., 

2005, Lear et al., 2005). GPCRs are composed of seven transmembrane α‐helices which 

are connected to the extracellular domains (that serve as peptides‐binding sites) and the 

intracellular domains (that bind the heterotrimeric GTP‐binding protein, which made up 

of α, β and γ subunits) (Mains and Eipper, 2006). Genetic  loss of   PDF and VIP and their 

respective receptors results  in modifications    in the expression of robust molecular and 

behavioral circadian rhythms in insects and mammals, respectively; suggesting that they 

are critical components in the neuronal clock network (Renn et al., 1999, Helfrich‐Förster 

et al., 2000, Harmar et al., 2002, Colwell et al., 2003, Peng et al., 2003, Lin et al., 2004, 

Hyun et al., 2005, Lear et al., 2005, Mertens et al., 2005, Maywood et al., 2006, Lear et 

al., 2009, Shafer and Taghert, 2009, Im and Taghert, 2010, Hassaneen et al., 2011).   

Although  about  10%  (16  of  150  cells)  of  the  circadian  pacemakers  of  Drosophila 

express PDF, PDFR  is expressed by 60% of all pacemakers  (Shafer et al., 2008,  Im and 

Taghert,  2010).  PDFR  in  the  pacemaker  neurons  signals  through  the  Gα‐subunit  and 

activates  adenylyl  cyclase  (AC)  in  different  PDF‐receptive  clock  neurons,  resulting  in 

increasing  the cAMP concentrations  that activates protein kinase A  (PKA)    (Hyun et al., 

2005, Mertens et al., 2005, Shafer et al., 2008, Choi et al., 2009). The cAMP/PKA pathway 

signaling leads to the stabilization of the PER and TIM proteins, and thereby, resetting of 

Page 39: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

19  

the molecular clock within the target clock neurons (Helfrich‐Förster, 2014, Li et al., 2014, 

Seluzicki  et  al.,  2014).  It was  discovered  that  PDFR  activates  different  ACs,  e.g.  PDF‐

signaling  in  the  s‐LNvs  is mediated  through  the AC3  activation, while  in  the  LNds,  it  is 

mediated  through  the activation of AC78C  (an ortholog of  the mammalian AC8) and at 

least one additional unidentified AC (Duvall and Taghert, 2012, Duvall and Taghert, 2013). 

Additionally,  it  is noted that PDF signaling  in vitro causes Ca2+  increases (Mertens et al., 

2005). A recent study showed that the coupling of the PDFR to different G protein, Gq  , 

activates  the  inositoltriphosphate  (IP3)/Ca2+  signaling  in  flight  control  circuits  of 

Drosophila  (Agrawal  et  al.,  2013). Moreover,  it  has  been  discovered  that  PDF  induces 

depolarization and causes a small  increase  in the Ca2+  level  in a subset of DN1p neurons 

(Seluzicki et al., 2014).   

In  the Madeira cockroach R. maderae, a cellular mechanism of  the PDF‐dependent 

gating of the circadian locomotor activity rhythms via activation of downstream neurons 

was suggested (Schneider and Stengl, 2005). Electrophysiological characterization of the 

AME  revealed  that  the  large majority  of  the  AME  neurons  spike  spontaneously.  They 

display fast oscillations with ultradian periods in the gamma frequency range of 20‐70 Hz 

superimposed  on  their  circadian  activity  rhythms  (Schneider  and  Stengl,  2005,  2006, 

2007). Moreover, it was found that the oscillated neurons within the AME form different 

ensembles,  which  can  be  rearranged  into  new  ensembles  of  synchronized  ultradian 

oscillators by PDF application via both phase‐delays and phase‐advances (Schneider and 

Stengl, 2005).  

 

 

 

 

 

Page 40: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

20  

1.4. Aims of this study 

The main aim of this thesis was to analyze whether circadian pacemaker neurons of the 

accessory medulla  (AME),  the circadian pacemaker center of  the cockroach Rhyparobia 

maderae,  respond  to  the  neurotransmitters  acetylcholine  (ACh),  histamine  (HA),  γ‐

aminobutyric  acid  (GABA),  glutamate  (Glu),  serotonin  (5‐HT),  and  octopamine  (OA).  In 

addition,  pigment‐dispersing  factor  (PDF)  signaling  was  analyzed  in  AME  neurons  to 

decipher the signal transduction cascade of this important circadian coupling signal. First, 

Ca2+‐imaging combined with pharmacological experiments were performed  to measure 

neurotransmitter‐dependent  changes  in  the  intracellular  Ca2+  levels  of  the  dissociated 

fura‐2 loaded AME neurons to examine whether these neurotransmitters relay inputs to 

the Madeira cockroach circadian clock  system. Next,  the  signaling of  the neuropeptide 

PDF were  investigated using Ca2+  imaging and Förster resonance energy transfer  (FRET) 

experiments.  In  these  experiments  PDF was  applied  to  the  cultured  AME  neurons  to 

identify and distinguish between calcium‐ and cAMP‐ dependent changes in response to 

PDF.  

 

In  addition  to  the  imaging  techniques,  running‐wheel  assays  were  performed  to 

determine phase shifts of the circadian locomotor activity rhythms following the injection 

of  the  neurotransmitter HA  at  different  circadian  times.  Finally,  to  obtain  information 

about  neuronal  connectivity  and  mechanisms  underlying  circadian  rhythms  in  the 

Madeira  cockroach,  a method using extracellular  recordings was established  to  record 

simultaneously electrophysiological parameters from live cockroaches over several days. 

Using this system, the electrical activity of the AME was compared with electrical signals 

of  the  compound eye  (the electroretinogram =  ERG)  and with electrical  activity of  leg 

muscles (electromyogram = EMG), to determine whether there are correlations between 

the  three  simultaneously  recorded  signals.  In addition,  it  should be examined whether 

and  how  PDF  might  generate  correlated  phase  shifts  in  the  three  simultaneously 

recorded  signals. Different  experimental methods  used  for  achieving  the  objectives  of 

this thesis are summarized in Figure 1.12.  

 

Page 41: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 1. Introduction

21  

 

Fig. 1.12: Schematic view of the different methods employed for the analysis of neurotransmitter‐signaling  and  of  the  signaling  of  the  neuropeptide  PDF  in  the  circadian  pacemaker center  of  the Madeira  cockroach Rhyparobia maderae.    The  study  employed  calcium imaging & FRET experiments, behavioral‐ and injection experiments as well as in situ long‐term extracellular recordings  to  identify possible  input signals employed  in entrainment pathways to the circadian pacemaker center to further our understanding of the cellular network of the circadian system. 

Extracellular RecordingsEMG- ERG-EAA

Cellular and Molecular Studies

Electrophysiological StudiesBehavioral Assays ~input output

Neurotransmitters &Neuropeptides

Pacemaker

Circadian locomotor activity rhythms

input output

‐Which neurotransmitters play a role in entrainment pathways to the circadian pacemaker center of the Madeira cockroach?

‐ How does the neuropeptide PDF signal in the clock?

Page 42: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

22  

 

   

Page 43: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

23  

 

2. Materials and methods 

2.1. Experimental animals 

Madeira cockroaches Rhyparobia maderae (Syn.: Leucophaea maderae) were housed at 

the  animal  room of  the Department of Animal Physiology,  at  the University of Kassel. 

Colonies  of  cockroaches were maintained  in  plastic  boxes  (L  60  x W  40  x  H  40  cm); 

containing wood  shavings  as  substrate  and  egg  cartons  for  providing  places  to  hide. 

Average room temperature was 25 ± 2°C and relative humidity was 40–60%. Food (e.g. 

dried dog  food, apples, potatoes, and tomatoes) was provided twice a week and water 

was available ad libitum. Animals were reared in different photoperiods of light/dark (LD) 

cycles (either short‐day LD 06:18, normal‐day LD 12:12, or long‐day LD 18:06). 

2.2. Primary cell cultures 

The preparation of primary cell cultures of the accessory medulla (AME) for Ca2+‐imaging 

and  FRET‐imaging  experiments  is  summarized  in  Figure  2.1  and  described  as  the 

following:

2–3 adult male  cockroaches were  cold‐anesthetized and  sterilized with either 70% 

ethanol  or  Barrycidal  solution  (Barrycidal  36,  Biohit,  Rosbach,  Germany),  between 

Zeitgeber time (ZT) 1 and ZT 5. The head capsule was removed and fixed by thin pins into 

a  small  tray  filled with wax. Once  the head  capsule was opened  (cuticle was  removed 

from the front), about 500 µL of culture medium were added to the opened windows and 

then the trachea and fats that surround the brain were removed with a very fine pointed 

forceps.  The  accessory medullae  (AMAE) were  carefully  isolated  from  the  optic  lobes 

using a glass capillary with a 200 µm tip diameter  (GB150T‐10, Harvard Apparatus Ltd., 

Edenbridge,  UK),  pulled  with  a  DMZ‐Universal‐Puller  (Zeitz  Instruments,  Martinsried, 

Germany).  Following  the  isolation,  the  AMAE were  directly  transferred  into  a  35 mm 

culture dish  (Falcon) contained about 3 ml culture medium. For  tissue dissociation,  the 

isolated  AMEA  were  incubated  in  500  µl  collagenase/dispase‐solution  (CD,  enzyme 

solution)  for  about  5 minutes  in  a  water‐bath  at  37°C.  After  the  incubation,  the  CD 

enzyme solution with the dissociated cells was gently mixed using a 100 µl micropipette‐

Page 44: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

24  

tip, and then transferred into 10 ml intermediate medium solution to stop dissociations. 

The solution was then centrifuged at 500 rpm for 5 minutes at 8°C. The supernatant was 

removed  by  a  suction  pump  system.  The  cell  suspension  (about  150–200  µl)  was 

distributed  onto  4–5  concanavalin–A  coated  8–mm  round  glass  coverslips  (Thermo 

Scientific, Braunschweig, Germany) placed  in  the  center of  sterile  tissue  culture dishes 

(35–mm diameter, Falcon). The cells were allowed to settle for at least two hours before 

adding 1 ml culture medium to each culture dish. The culture dishes were  labeled with 

date and  time and kept at 20°C  in a dark humidified  incubator and were used  for  the 

experiments in the following day. 

Medium and solutions 

Culture medium: 

‐ 98  ml  L–15  medium  (Leibovitz’s  L‐15  Medium,  PAA  Laboratories,  Cölbe, Germany), 

‐ 1 ml of the following mix (200 mg/ml glucose, 80 mg/ml fructose, 35 mg/ml L‐prolin and 6 mg/ml imidazol, all dissolved in L‐15), 

‐ 1 ml glutamine, 

‐ 100 µl gentamicin, 

‐ 2.38 mg/ml Hanks’ balanced salt solution (HBSS, Gibco), 

‐ pH 7.0, 360 mOsm/kg adjusted with NaOH and mannitol. 

Enzyme solution (collagenase /dispase): 

10 ml HBSS (Gibco) containing 1 mg/ml collagenase and 4 mg/ml dispase 

Intermediate medium:  

10 ml  L–15 medium  (PAA  Laboratories, Cölbe, Germany)  supplemented with  2.8 

mg/ml yeastolate and 2.8 mg/ml lactalbumin 

Hanks’ balanced salt solution (HBSS): 

170  ml  Aqua  bidest,  30  ml  10xHBSS,  2  ml  Penicillin/Streptavidin,  0.01  g 

Phenylthiourea, 0.025 mg/ml Phenolrot, pH 7.0, 380 mOsm/kg adjusted with NaOH 

and mannitol.  

All chemicals were obtained from Sigma‐Aldrich unless otherwise declared. 

Page 45: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

25  

 

 

Fig. 2.1:  Schematic  view of  the method used  to prepare  the primary  cell  cultures of  accessory medulla  (AME) cells of  the Madeira cockroaches  to be processed  for Ca2+‐imaging and FRET experiments. Enzymatic dissociation was used to get single cells. Cells were plated onto  glass  coated  with  concanavalin  A.  The  cultured  neurons  were  maintained  in  a humidified incubator for at least 24 hours before starting the experiments (for details see text). 

   

137.0

2

45

3

6

87

20.0

The AME isolation Tissue dissociation 

CentrifugationSupernatant removing

culture mediumadding  Incubation

4‐5 min at 37°C

stop dissociation

Cells suspension distribution 

500 rpm  for 5 min at 8°C 

After about 2 hrs at 20°C 

Page 46: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

26  

2.3. Calcium imaging experiments 

2.3.1. Loading cells with Ca2+ indicator dye 

Before  starting  Ca2+  imaging  experiment,  the  cultured  AME  neurons  were  examined 

microscopically to make sure that they are healthy (e.g. deteriorated and contaminated 

cells were considered as unhealthy), and  then  loaded with 4 µM calcium–sensitive dye 

fura‐2 acetoxymethyl ester (Fura‐2 AM, Molecular Probes  Inc., Eugene, OR, USA) for 40 

minutes in darkness at room temperature. Fura‐2 AM stock solution (1 mM; dissolved in 

dimethyl  sulfoxide,  DMSO)  was  diluted  into  2  mL  of  standard  saline  solution.  The 

standard  saline  contained: NaCl 156 mM, KCl  4 mM, CaCl2 1 mM, HEPES 10 mM,  and 

glucose 5 mM (pH 7.1, osmolarity 380 mOsm). 

2.3.2. Imaging setup and recording 

Two  imaging systems  (TILL Photonic, Germany),  functionally  identical and  featuring  the 

same design, were  used  for  calcium  imaging  recordings.  Some  of  the  calcium‐imaging 

experiments were performed using the  first setup at the beginning of the study before 

switching mainly to the second setup. The components of both setups are presented  in 

Table  2.1.  The  location  of  the  components  inside  a  fluorescence microscope  and  the 

typical hardware configuration of an imaging system are shown in Figure 2.2 and Figure 

2.3, respectively. 

Following  fura‐2  loading,  the  coverslip  with  cultured  AME  cells  was  transferred 

carefully  into  the bath area of  the  recording chamber  (Fig. 2.4) placed on  the  stage of 

fluorescence microscope and thoroughly washed with standard saline using a perfusion 

pump for about 10 minutes before starting to remove unloaded dye. All calcium imaging 

experiments were performed at room temperature. The number of selected cells viewed 

with a 20x objective per experiment (i.e. single cell culture) in an imaging area of 16 x 104 

µm2 was approximately 20–25 cells (Fig. 2.5). The selected cells in the field of view were 

manually  identified using the  imaging software  (Region of  Interest  [ROI]  for each single 

cell). 

 

Page 47: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

27  

Table 2.1: Summary of the components and attached equipments of the experimental setups.  

Component  First Imaging setup  Second Imaging setup 

Uses/Applications  ‐ Calcium Imaging ‐ Calcium Imaging  ‐ Fluorescence  resonance  energy  

transfer (FRET) imaging 

Microscope  Examiner D1 microscope (Zeiss, Germany) 

Leica DMI3000 B Inverted microscope (Leica Microsystems, Germany) 

Camera Name Series Model Manufacturer  

 

EM‐CCD cameraAndor 885 IXON DU885KCS‐VP Andor Technology Ltd, Northern Ireland 

EM‐CCD camera  Andor 897 IXON DU897_BV Andor Technology Ltd, Northern Ireland 

Light source  Polychrome V, Till‐Photonics, Gräfelfing, Germany as a monochromator: excitation wavelength from 320 nm – 680 nm 

Imaging control Unit  Imaging Control Unit (ICU), TILL Photonics 

Imaging Software  TILLvisION software(Version 4.5.60, Till Photonics) 

Live Acquisition software (Version 2.2.0.9, Till Photonics) 

C­Mount Adaptor  60 N‐C 2/3" 0.63x (Zeiss, Germany) 1X HC  : 3/4" to 1" (Leica, Germany)

Used Objectives  ‐ 20x objective: W N‐Achroplan, NA 1.0(Zeiss, Germany) 

 

‐ 20x objective:  HCX  PL  FLUOTAR  L20x/0.40 CORR (Leica Germany) 

 

‐  40x objective: N PLAN L40x/0.55 CORR (Leica Germany) 

Used filter set   ‐ Fura 2 filter set (EX BP 340/30, EX BP 387/15, BS FT 409,  EM BP 510/90) 

(Zeiss, Germany)   

‐ Fura 2 filter  cube (EX 395 SP, DC LP 400, EM ET 510/80), (Leica Germany) 

 

‐ FITC/RH filter cube (EX BP 490/15, EX BP 560/25, DCM 500, EM BP 525/20,  EM BP 605/30) (Leica Germany) 

Image splitter  None  Dual‐Channel Simultaneous‐Imaging System (DV2‐ Photometrics, Tucson, Arizona, USA) 

Micromanublatores   ‐ Two  PatchStar micromanipulators  (Scientifica Ltd, Uckfield, UK) 

 

‐ One  3‐axes Mini 25  (Luigs&Neumann)‐ One PatchStar  micromanipulator  (Scientifica Ltd, Uckfield, UK) 

Microinjection system  

‐ Picospritzer II (General Valve  Corporation, Fairfield, New Jersey, USA)   

‐ Picospritzer II (General Valve Corporation, Fairfield, New Jersey, USA)

 

‐ Eppendorf Transjector 5246   (Eppendorf, Hamburg, Germany) 

Perfusion Pump   REGLO Digital MS‐2/6 (Ismatec, IDEX Health&Science, Germany) 

LKB 2232 Microperpex S (LKB‐Produkter AB, Bromma, Sweden) 

 

 

Page 48: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

28  

  

 

 

 

 

 

Fig.  2.2:  Schematic  drawing  showing  the  location  of  different  components  inside  of  the fluorescence  microscope  and  describing  the  light  path  for  Polychrome  V illumination. The  coverslip  with  cells  is  mounted  above  the  microscope  objective,  in which the excitation light passes through to the cells. The filter wheel contains up to five filters, specific for different fluorescence dyes. For FRET  imaging, an  image splitter (DV2) with specific  filter settings  is used to split the  light  from the microscope  into two colors (fluorescence emissions  Images at 520 nm and 580 nm)  to be detected by  the EM‐CCD camera.  For  Ca2+  imaging,  a  specific  filter‐cube  for  fura‐2  was  selected  to  detect fluorescence emission at 510 nm with two excitation wavelengths: 340 nm and 380 nm.  

 

CCD camera

Dichroic FilterDV2  Filter Cube

Adjustable Mirror

Emission filters

C‐Mount adaptor

Camera Port Slider

Focus Wheel

Bypass mode/DV2  Slider 

Condenser

Dichroic filter Wheel

Light from Polychrome V

Objective

Emission filter

Excitation filter

Dichroic mirror

Transmitted light lamphousing

Field diaphragm

cells

340 nm

380 nm

To camera

Fura‐2 filter set

Page 49: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

29  

 

Fig.  2.3:  Typical  configuration  scheme  of  the  calcium  and  FRET  imaging  system  devices  to  be controlled by Live Acquisition software. 

  

 

Fig. 2.4: Recording chamber used in calcium and FRET imaging experiments. The coverslip (⌀ 8 mm) with AME cells was transferred carefully to the bath area of the chamber with a fine forceps after loading with Fura‐2. The floor of the chamber was a 24 x 60 mm #1 glass coverslip. 

   

   

Fig.  2.5:  Fluorescence  image  of  the  cultured  AME  cells  loaded  with  Fura‐2  (viewed  with  20x Objective, 512 x 512 pixels  ‐ excitation wavelength at 380 nm  for 10 ms exposure time). Most of the cells were not in direct contact with each other. Scale bar = 50 µm.  

TTL IN

TTL OUT 3

Manual Objective Changer

TTL OUT 2

TTL OUT 1

COM PORTCOM1

Camera Sync OUT

Trigger

DiDO1 DO3

Di

Cells

Perfusion output port

Fura‐2‐AM loading

40 minutes

Page 50: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

30  

For  calcium  imaging  experiments,  the  filter wheel  located  in  the microscope was 

moved to an appropriate filter‐cube for Fura‐2 (340 and 380 nm excitation filters & 510 

nm  emission  filter).  The  cultured  AME  neurons  were  illuminated  at  two  excitation 

wavelengths  (340 nm  for 30 ms  followed by 380 nm  for 10 ms) using a Polychrome V 

monochromator  (Till  Photonics).  The  fluorescence  emission from  both  excitation 

wavelengths was detected at 510 nm and live image pairs were captured with an EM‐CCD 

camera (Andor) at 500 ms intervals. In this case, intracellular Ca2+ levels were calculated 

by the ratio of the emitted fura‐2 fluorescence at 340 nm and 380 nm excitations. Timing 

for calcium imaging experiment and the EM‐CCD camera settings are provided in Table 2.2. 

Table 2.2: Timing for calcium imaging experiment and the EM‐CCD camera settings  

Parameter  Specification/value

Channels count 2 channels         1st Channel 340/15 nm    2nd Channel 380/15 nm 

Light Source  Polychrome V 

Exposure Time / Cycle (ms) 1st Channel    30 ms / 35 ms 2nd Channel   10 ms / 465 ms 

Total cycle (ms)  500 

Delay (ms)  0 

Loop count e.g. 1200  for 10 min recording  ‘Depending on the length of experiments’ 

Cooling  On 

Fan  Full 

Temperature (°C)  ‐100 

Output Amp  Electron Multiply 

AD channel  14 bit 

Readout rate  35.0 

Pre‐Amp. Gain  1.0 

EM gain  On  

Binning  Symmetrical  Hor. (X) 1     Vert. (Y)  1 

Clock (MHz)  10 

VSS (µs), Vertical Clock Speed  3.3 

VCVA, Variable Control Voice Actuator  0 

Baseline clamp  On 

FT Mode  On 

 

Page 51: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

31  

2.3.3. Drugs and application 

Drugs with respective concentrations employed  for experiments are  listed  in Table 2.3. 

Unless  otherwise  indicated,  all  drugs  were  dissolved  and  diluted  in  standard  saline 

solution  (=  different  stimulus  solutions)  before  their  application  to  the  cultured  AME 

neurons. Stocks of drugs dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) were diluted (1/1000) in 

standard saline solution. Stock solutions were diluted to their final concentration on the 

day of the experiments. All treatments were performed at room temperature. The AME 

cells were  superfused  continuously with  normal  standard  saline.  Drug  solutions were 

applied to the cells via a perfusion system, which could deliver and exchange of different 

solutions  to  the  recording  chamber  without  interrupting  the  live‐cell  imaging.  The 

configuration of the perfusion system is illustrated in Figure 2.6.  

For  the  dose–response  experiments,  the  neurotransmitters were  bath  applied  at 

different  concentrations  (i.e.  application  of  the  same  neurotransmitter  on  the  same 

neurons  with  increasing  concentration).  For  the  pharmacological  experiments,  the 

cultured  AME  neurons  were  pre‐incubated  with  antagonists/blockers  for  at  least  5 

minutes  before  treatment  with  their  respective  drugs.  After  the  incubation,  the 

neurotransmitters  or  their  agonists  were  applied  in  the  presence  of  the  same 

agonists/blockers.  In  all  experiments,  the  cultured  AME  neurons were washed  out  at 

least 5 minutes after each drug application to prevent desensitization. 

For single cell application, drugs were applied via a glass micropipette (tip diameter 

of about 1 µm) using pressure pulses  (40 ms, 40 psi)  from  the Picospritzer  II  (General 

Valve Corporation, Fairfield, New Jersey, USA). Borosilicate glass capillaries (GC‐150F‐ 7.5, 

Harvard Apparatus Ltd., Edenbridge, UK) were pulled with a DMZ‐Universal‐Puller (Zeitz 

Instruments,  Martinsried,  Germany).  The  micropipette  was  filled  with  the  stimulus 

solution and positioned closely to  the cell  (distance about 100 ± 20 µm) using a 3‐axes 

micromanipulator (Mini 25, Luigs & Neumann, Ratingen, Germany). 

 

 

 

Page 52: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

32  

Table 2.3: Summary of drugs and pharmacological agents with respective concentrations used in the experiments 

Drug  Description, Manufacture  Concentrations 

Acetylcholine (ACh)   Neurotransmitter,  Sigma   Different concentrations 

Nicotine   Nicotinic ACh receptor agonist, Sigma   50 µM   

Pilocarpine   Muscarinic ACh receptor agonist, Sigma   50 µM  

Mecamylamine   Nicotinic ACh receptor antagonist, Sigma  50 µM  

Scopolamine  Muscarinic ACh receptor antagonist, Sigma 

50 µM  

Mibefradil  Voltage activated calcium channels  (VACC) blocker, Sigma  

10 µM 

Histamine (HA)   Neurotransmitter, Biogenic amine, Sigma Different concentrations 

Cimetidine Vertebrates histamine H2‐receptor antagonist, Sigma 

500 µM  

Picrotoxin (PTX)   Chloride channels blocker, Sigma  100 µM  

Gamma‐aminobutyric acid  (GABA) 

Neurotransmitter , Sigma  Different concentrations 

Muscimol (MUS)  GABAA  receptor agonist, Biotrend  100 µM 

Baclofen  GABAA  receptor antagonist  10 µM 

Forskolin (FSK)*  Adenylyl cyclase (AC) activator, Biotrend   10 µM & 20 µM 

SQ 22536  AC inhibitor, Sigma  20 µM 

Glutamate (Glu)  Neurotransmitter, Sigma  Different concentrations 

Serotonin (5‐HT) 5‐hydroxytryptamine   

Neurotransmitter, Sigma  Different concentrations 

Octopamine (5‐HT)  Neurotransmitter, Sigma  Different concentrations 

3‐Isobutyl‐1‐methylxanthin (IBMX)*  

Phosphodiesterase (PDE) inhibitor,  Sigma 

20 µM 

Pigment dispersing factor (PDF) 

Neuropeptide  (NSEIINSLLGLPKVLNDA), Iris Biotech, Marktredwitz, Germany 

Different concentrations 

* Stock solutions were dissolved in dimethyl sulfoxide (DMSO) and diluted in standard saline solution. The rest was dissolved and diluted in standard saline solution.  

 

 

Page 53: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

33  

 

 

 

Fig. 2.6: Stimulus solution application system designed for imaging experiments. Perfusion system with  two  peristaltic  pumps  allows  liquid  to  flow  through  the  bath  area  of  a  recording chamber (1 ml/min). Both pumps are controlled by computer. The first pump  is connected to a manual switching system with six ports (named 1‐6); to manually alternate the flow of the solutions. The second pump is connected to an electronic 3‐way valve (manufactured by Parker) controlled by computer, to automatically alternate the flow between solutions (A & B).  Solutions  are  conducted  by  Teflon  tubing. Double  pumps  allow  alternative  perfusion assays  and  enable  continuous  flow  of  the  normal  standard  saline with  the  possibility  of controlling  the  solution  volume  and duration of  application  for  a wide  range of  stimulus solutions over the cells without interrupting live imaging acquisition. The system is regularly disinfected with 70% ethanol and cleaned very well before and after the use with distilled water to avoid contaminations or clogging, and then kept dry. 

 

   

1

2

3

4

5

6

1

2

34

5

6

654321

PC

BA

InOut

Waste “Used solution”

Standard saline and stimulus solutions

Pump I

Pump II

Waste 

3‐wayvalve

Recording chamber

Cells

Solutions  switch 

Removal of solution “Drain”

Page 54: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

34  

2.4. Förster Resonance Energy Transfer (FRET) Imaging experiments 

2.4.1. FRET–Sensor  

The synthesis and characterisation of FRET–based cAMP biosensor have been extensively 

addressed  elsewhere  (Stieger,  2011).  Briefly,  FRET  studies  employed  the  differently 

fluorescence‐labelled  two  subunits  of  cAMP‐dependent  protein  kinase  A  (PKA)  to 

monitor cAMP changes in the AME neurons. The catalytic subunit (mCα, mouse, type α) 

was  labelled with  fluorescein  and  the  regulatory  subunit  (hRIα, humane,  type  Iα) was 

labelled with DY560, rhodamine‐based label, to obtain the heterochromatic FRET‐sensor 

(Fl–Cα/DY560–RIα).  The  regulatory  subunit  binds  cAMP  and,  upon  binding,  the  two 

subunits of PKA dissociate and the catalytic subunit becomes active. Thus, the increased 

distance  between  the  two  fluorophores  suppresses  energy  transfer  between  both 

fluorophores  and  the  FRET‐signal  decreases  (Adams  et  al.,  1991).  Therefore,  energy 

transfer  between  the  labelled‐subunits  is  a  measure  of  the  intracellular  free  cAMP 

concentration.  

Stock  solutions  of  FRET‐Sensor  was  stored  at  ‐80  °C  (in  individual  tubes,  each 

contains 10 µL with concentration of 50 µM).  If stored well, the FRET‐Sensor should be 

stable and responsive to cAMP for several months. At the day of the experiment, a tube 

of  FRET–Sensor  stock  solution was moved  out  to  a  box  contained  crushed  ice  to  be 

transferred from place to another. Directly after thawing, a portion of the stock solution 

was diluted in standard saline in a nuclease‐free sterile protein low–binding microtube to 

be used for  injections when ready. The rest was stored at 4–6 °C to be used during the 

following days. The concentration of FRET‐Sensor used for injection was 20 ± 5 µM. Then, 

the  sensor was  kept  into  the  ice  during  the  course of  the  experiments  and  protected 

from light. 

2.4.2. FRET­Sensor Microinjection 

Microinjection is the common and the only technique used so far to introduce such types 

of  FRET–sensors  based  upon  cAMP‐dependent  protein  kinase  (PKA)  into  cells.  

Microinjections  were  performed  by  using  either  pulled  glass  micropipettes 

Page 55: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

35  

manufactured with  a  needle  puller  (DMZ‐Universal  puller;  Zeitz‐instrumente, 

Martinsried, Germany)  from borosilicate glass  capillary with filament  (10  cm  in  length, 

1.5 mm  outside  diameter,  1.17 mm  inside  diameter;  Sutter  Instruments, Novato,  CA, 

USA),  or  commercial  glass  micropipettes  (Sterile  Femtotips,  Eppendorf,  Hamburg, 

Germany).  The  diameter  of  micropipette  tip  was  approximately  0.5  ±  0.2  µm.  

Microinjection  pipettes were  loaded with  about  0.5  µL  of  the  FRET‐Sensors  by  sterile 

Microloader  Pipette  Tips  (Eppendorf)  or  by  standard  polypropylene  0.1–2.5  µL  sterile 

microtips  for back‐filling. The  filament  inside  the pipette allows  the  sensor  to be well‐ 

accumulated  into  the  tip. After  filling,  the  tip of  the pipette was  controlled under  the 

microscope to be sure that it has not been broken during the filling process and to note 

the  presence  of  air  bubbles which  prevent  injections.  Filled micropipettes with  FRET‐

Sensor  were  inserted  into  the  needle  holder  which  is  attached  to 

a PatchStar micromanipulator (Scientifica Ltd, Uckfield, UK), which can be moved  in XYZ 

and  approach axes  positions.  The  micromanipulator  could  be  also  controlled  by  the 

computer  with  LinLab  software  (Version  1.678,  Scientifica).  The  micropipette  holder 

connected  to an Eppendorf Transjector 5246  (Eppendorf) used  to  introduce  the FRET–

Sensor into the cytoplasm of each AME cells by pressure injection. The injection pressure 

(Pi) was 100–140 hectopascals (hPa), time (ti) was 0.1 sec and the compensation pressure 

(PC) was 55–75 hPa.  

Microinjection  was  performed  at  40x  magnification  using  phase‐contrast  of  an 

inverted  microscope  (Leica  DMI3000  B  Inverted  microscope,  Leica  Microsystems, 

Germany) with red light. Micropipette tip was moved into the recording chamber. Once 

the tip was visible  in the field of view,  it moved up and down above the cell and finally 

positioned  few  micrometers  over  the  selected  cell,  and  then  the  micromanipulator 

moved along over the cell in the direction of the X‐axis. Immediately after the movement, 

approach  axis  was  activated  and  gently  moved  to  touch  and  pierce  the  plasma 

membrane, and  then  the above pre‐adjusted pressure was applied  (Fig. 2.7). The  total 

volume of the injected sensor was estimated to be smaller than 10% of the cell volume. 

The  final  intracellular  concentrations  were  estimated  to  be  0.2–2  µM  (Adams  et  al., 

1991). Successful injections were evaluated under the microscope in bright field. Also, an 

image  of  the  fluorescence  emission  of  fluorescein  was  acquired  at  520  nm  when  it 

Page 56: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

36  

excited  at  488  nm.  Following microinjection,  cells were washed with  standard  saline 

solution.  FRET  experiment was  performed  at  least  30 minutes  after microinjection  to 

allow the cell to be recovered. 

 

 

Fig.  2.7:  Loading  FRET  sensors  into  an AME  neuron  via  a microinjection  pipette.  (A)  Schematic representation of  the method of FRET‐sensor  injection, showing how  the pipette  tip was moved  towards  the cell.  (B) The proper positioning of  the micropipette  inside  the cell  to inject  the  sensor  into  the  cytoplasm of  an AME  cell. A pressure pulse was  delivered by using an Eppendorf Transjector 5246. Scale bar = 20 µm. 

2.4.3. cAMP imaging setup and recording  

Fluorescent resonance energy transfer (FRET) was used to detect the relative changes in 

the  intracellular cAMP  level  in  response  to  the neuropeptide pigment‐dispersing  factor 

(PDF).  FRET  experiments  were  designed  to  identify  whether  cAMP  responses  to  PDF 

occurred or not. FRET  imaging experiments were performed on an  inverted microscope 

(Leica  DMI300B  microscope,  Leica,  Germany)  equipped  with  a  Dual‐Channel 

Simultaneous‐Imaging  System  (Dual  View,  DV2,  Photometrics,  Tucson,  Arizona,  USA) 

attached  to an EM‐CCD camera  (IXON+DU_897BV, Andor) and a 40x objective  (N PLAN 

CellMovement steps Microinjection

40x objective

A

B

Page 57: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

37  

L40x/0.55 CORR, Leica Germany). Dual view was used  to split  the emission  light  in  two 

fluorescence channels to be simultaneously detected by the camera.  The Imaging system 

used for FRET studies is described in Table 2.1 and Figures 2.2 and 2.3.  

After successful Ca2+  imaging experiments, the PDF‐responsive cells were selected to 

be  injected with  the  cAMP–dependent  PKA  FRET–sensor. Outline  of  the  experimental 

steps  is summarized  in Figure 2.8. The selected cells  in the field of view were manually 

identified using the  imaging software (Live Acquisition, Version 2.2, TILL Photonics). The 

PKA‐based  sensor  coupled  to  fluorescein  (FITC as Donor) and  rhodamine‐based  (RH as 

Acceptor)  fluorescent  dyes.  The  Fluorescence  images  for  both  fluorophores  can  be 

obtained with the setup when: 1) The filter wheel, located in the microscope, was moved 

to  a  filter‐cube  for  FITC/RH  (excitation  filter  490/15 & Dichromatic mirror  500,  580 & 

suppression filter 525/20, 605/30, Leica); 2) The DV2 slider was moved to DV2 instead of 

the Bypass Mode  for acquiring simultaneous  images; 3) DV2‐Cube filterset  (HQ 525/50, 

HQ 605/55 & DCM T565 LPXR, Photometrics) was completely inserted into the tube. The 

DV2 channels were aligned in highly precise way (i.e. donor and acceptor channels were 

adjusted pixel by pixel) followed the Photometrics DV2™ Alignment Procedure manual1, 

and readjusted before each experiment. In practice, DV2 misalignment (e.g. the positions 

of the two  images are not  identical)  leads to  inaccuracy  in ratio  images and subsequent 

failure to detect FRET signal.  

Cultured AME neurons were excited with  light from a monochromator polychrome V 

(Till Photonics) at 488/15 nm for 100 – 300 ms at 5 s  intervals. Excitation of fluorescein 

leads  to  emissions  at  520  nm  at  580  nm  due  to  energy  transfer  between  (donor) 

fluorescein and (acceptor) rhodamine fluorescent dyes. FRET occurred when the distance 

between both fluorophores is small (< 10 nm), for that reason the donor emission at 520 

nm  is decreased and the acceptor emission at 580 nm  is  increased. Binding of cAMP to 

PKA leads to dissociation of its two subunits, resulting in an increased distance between 

both  fluorophores  and  subsequently  the  acceptor  emission  is  reduced.  Therefore, 

changes  in the  intracellular cAMP  levels were measured  indirectly by an  increase  in the 

ratio  of  520  nm/  580  nm  emission.  To  reduce  photobleaching  and  prolong  recording 

time, electron‐multiplying  (EM) gain was  increased  (150–250)  instead of  increasing  the                                                             1  Available at:  http://www.photometrics.com/support/pdfs/manuals/dv2_alignment.pdf (Accessed: 21 Nov. 2014) 

Page 58: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

38  

exposure  time  since  the EM  gain  allows minimal exposure of AME neurons  to  light  at 

excitation wavelengths.  

 

Fig. 2.8: Outline of Ca2+/FRET experimental steps. 

2.5. Images analysis, measurements, and statistics Sequence  of  images was  acquired  during  the  imaging  experiments  using  the  EM‐CCD 

camera and its respective software (Table 2.1) and saved as image stacks. In addition to 

online  analysis,  offline  image  analysis was  performed  using  ImageJ  software  (version 

1.46j,  National  Institutes  of  Health,  USA).  Fluorescence  ratios  for  fura‐2  excitation 

wavelengths at 340 nm and 380 nm was calculated (R = F340/F380) to measure the relative 

changes  in the  intracellular Ca2+ concentration. Changes  in the  intracellular cAMP  levels 

were measured by calculation the ratios of the emitted fluorescence at 520 nm/ 580 nm 

of  the  PKA‐based  FRET‐fluorosensor  (R  =  F520/F580).  Fluorescence  emission  intensities 

were background‐subtracted before  the  calculation of  the  ratios  (i.e. one ROI with no 

cells was specified to be selected as a background ROI for background subtraction from 

Stimuli application 

Fura‐2 Loading(40 min)

Calcium responses to stimulusYes

NO

Responses classification 

FRET‐Sensor injection(Microinjection)

Data storage Offline analysis &

Quantitative analysis

Online analysis &

visualization

FiltersetFura‐2 filter cube 

Filterset ‐ Filter cube: FI/RH

‐DV2 & its filter cube

The same stimuli application

StartCalcium Imaging

StartcAMP Imaging

(FRET)Stop

Page 59: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

39  

the  emission  intensities  of  fluorescent  cells).  Unless  otherwise  indicated,  data  are 

expressed  as  fluorescence  emission  ratios.  The  ratios  (F340/F380  &  F520/F580)  were 

normalized to the baseline  (R0) by dividing each ratio value by the average of 3‐5 basal 

values  before  drug  application  to  facilitate  the  comparison  of  the  results  between 

independent experiments using different  imaging setups and settings. For  ratios images 

presentation, the fluorescence is shown in pseudo-color and processed with Gaussian filter. 

For  the  calculation of  the  intracellular  calcium  concentration  ([Ca2+]i),  the Gronkiewicz 

equation (Grynkiewicz et al., 1985) was used as the following: 

 

 

 

 

Kd:  dissociation  constant  for  Ca2+  fura‐2  binding  to  fura‐2  (assumed  to  be  2.66  µM, 

according to Wei and Stengl (2012)). 

ß: a factor which scales kd into the dissociation constant effective in the preparation. 

R is Ratio of the fluorescence measured during the experiment (F340/F380). 

Fmin and Fmax are the fluorescence intensities in the absence of Ca2+ or in the presence of a 

saturating concentration of Ca2+, respectively. 

 

Data  are  given  as mean  ±  standard  error  (SE).  Calcium  responses  amplitudes  and 

duration were measured with  Spike‐2  software  (version  7.02).  Statistical  comparisons 

between  different  responses  to  neurotransmitters  were  performed  with  ANOVA  test 

with Tukey’s post hoc analysis with a significance  level of P < 0.05. Since, Kolmogorov–

Smirnov was used as test for normality. Statistical comparisons of cAMP baseline  levels 

before  and  after  the  PDF  application were  performed  using Mann‐Whitney  U‐test.  A 

difference  was  considered  statistically  significant  when  p  <  0.05.Data  analysis  and 

graphics  were  performed  using  MS  Excel  2007,  SPSS  (Statistical  Package  for  Social 

Science, Chicago,  Illinois), and OriginPro 8  (version 8.754, OriginLab, Northampton, MA, 

USA).  

[ ]380380

max

min

max

min2

FF

RRRRKdßCa i ×−

−××=+

Page 60: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

40  

2.6. Behavioral experiments 

2.6.1. Running­wheel assays 

Phase shifts of the circadian locomotor activity in the Madeira cockroaches (R. Maderae) 

were  analysed  in  running‐wheel  assays  in  constant  darkness  (DD)  at  various  circadian 

times (CTs) in response to the neurotransmitter histamine (HA) injection. HA‐dependent 

phase  shifts were assayed by obtaining phase  response curves  (PRCs). Only adult male 

cockroaches were obtained  from  laboratory  colonies under  LD 12:12 photoperiod  and 

housed  individually  in running wheels (radius 3.5 cm, depth 3 cm) under DD conditions. 

Running wheels were placed  in wood cabinets/boxes with doors  (16  individual  running 

wheels per cabinet). Cabinets were placed in a dark room under controlled temperature 

(25°C). The room contained a dim red  light  lamp to be used when the cabinet door was 

opened  during  care,  maintenance,  or  obtained  for  injection.  Cockroaches  inside  the 

wheels have  free  access  to water  and  sesame  sticks  food  (Ad  libitum). Running wheel 

activity  was  recorded  continuously,  since  the  number  of  rotations  per minute  (1440 

minutes = 24 hrs) was collected by custom‐programmed software developed by C. Lohrey 

(University of Kassel). Each wheel was connected to a reed switch to monitor the wheel 

activity. During the rotation, the switch was closed by two magnetic parts attached to the 

wheel.  At  that  stage,  the  data was  saved  to  a  text  file  format  on  a  SD memory  card 

attached  to  the  data  collection  system.  The  collected  data  were  then  copied  to  the 

computer for analysis. 

2.6.2. Injections 

The  injection method  resembled methods  developed  by  Schulze  et  al.  (2013). On  the 

injection  day,  animals  were  removed  from  the  running  wheel  and  completely 

anesthetized with a short, small CO2 dose and then positioned in a holder fabricated from 

acrylic‐glass with metal base (made by the workshop of the University of Kassel), in which 

the cockroach body was well‐fixed and  its head capsule was kept outside to be viewed 

under a stereomicroscope equipped with a dim red light source. Cockroaches were then 

injected with a repetitive pipette (HandyStep, Brand, Wertheim, Germany). A disposable 

syringe/injection needle was  attached  to  a precision dispenser  tip of  the pipette  filled 

with the neurotransmitter. The needle tip was carefully inserted into the compound eye 

Page 61: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

41  

to deliver the stimulus into the hemolymph. Each animal was injected with 2 µL HA and 

was immediately returned to the running wheel. The HA concentration used for PRC was 

10‐6 M (2 x 10‐12 mol), while for dose‐dependency responses analysis was 10‐4 M (2 x 10‐10 

mol) and 10‐8 M (2 x 10‐14 mol). As a control, some cockroaches were injected with 2 µL 

saline solution at different CTs. Cockroaches were kept to continuously free‐run in DD for 

at  least 10–15 days before the  injection and  left for about 15 days following the day of 

stimulation.  The  injection was  performed  only  for  animals  that  showed  a  clear  free‐

running rhythm. Arrhythmic animals were excluded from injections and further analyses. 

The circadian time of the  injection was determined before  injection and was confirmed 

during  the phase shifts analysis. A schematic  representation of  running‐wheel assays  is 

illustrated in Figure 2.9. 

2.6.3. Data analysis 

Data were collected about 2 weeks after the application of the stimulus. Collected data 

were  exported  as  a  text  file  (time  series  data,  1  day  =  1440  data  points)  in  a  format 

suitable  to  be  used  in  ActogramJ  software,  ImageJ  plugin  (Schmid  et  al.,  2011).  The 

software was  used  to draw  double‐plotted  aktograms  and  to  determine  the  following 

measurements: 1) free‐running period (τ, tau) prior to and after the  injection using chi‐

square periodogram; 2) circadian time (CT) of the injection; 3) values of phase shifts (Δφ). 

A  regression  line  through  the activity onsets  (CT 12 was selected as a  reference of  the 

activity onset  and  as phase point) was drawn before  the  injection  to determine CT of 

injection  and  τ.  Following  the  injection,  another  regression  line  through  the  activity 

onsets was drawn.  Δφ was  calculated by measuring  the difference between eye‐fitted 

lines.  Results were  presented  as means  ±  SE.  Phase  shifts  induced  by  HA  and  saline 

injections were averaged in three hours bins at CT values of 1.5, 4.5, 7.5, 10.5, 13.5, 16.5, 

19.5 and 22.5 and statistically analysed by the Kruskal‐Wallis test followed by Dunn’s post 

hoc  test with  a  significance  level  of  P  <  0.05.  All  statistical  analyses  and  graphs were 

performed  by  OriginPro  8  (version  8.754,  OriginLab,  Northampton,  MA,  USA)  and 

CorelDRAW Graphics Suite X3 (Ottawa, Canada). 

 

Page 62: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

42  

 

Fig. 2.9: Schematic representation of running‐wheel assays. The cockroach is anesthetized with CO2 and  then  injected  by  a  repetitive  pipette  into  the  compound  eye.  Then,  the  locomotor activity of the animals was recorded by wheel running assays. Each wheel was connected to a reed switch to monitor the wheel activity. During the rotation, the switch was closed by two magnetic parts attached to the wheel. The collected data was saved to a text  file format on a SD memory card and  then copied  to  the computer  for analysis of  the phase response curve. (For details see text).    

Running‐wheel 

run/stopSD

light

Injection

Anesthesia

Data collection

Data Analysis

Cockroach’s head 

0 3 6 9 12 15 18 21 24Circadian Time (h)

Phase Shift (h

)

Delay

Advan

ce

An example for phase response curve

Results

CO2

Page 63: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

43  

2.7. Extracellular recordings 

2.7.1. Electrode implantations

Stainless‐steel  wire  electrodes  (30  µm  diameter,  Advent  Research  Materials  Ltd., 

England,  UK) were  inserted  into  AME,  compound  eye,  and  leg muscles  to  search  for 

synchronization  between  AME  outputs  (electrical  activity  of  AME  =  EAA)  to  the  eye 

(electroretinogram = ERG) and to  leg muscles (electromyogram, EMG).This method was 

established  to  get  extracellular  long‐term  recordings  (e.g.  simultaneously  neuronal 

activity of AME, EMG, and ERG) for several days of intact cockroaches in LD cycles and/or 

DD conditions. 

Adult male  cockroaches were  anesthetized using CO2  and  fixed  in  a  custom‐made 

holder made  from  acrylic‐glass,  in  which  the  animal  was maintained  in  a  horizontal 

position. For  inserting an electrode  into  the AME, a  small window  in  the head capsule 

cuticle  above  the  optic  lobe was  opened  under  the  dissecting microscope.  Then,  few 

drops of the insect saline were added to the opened window. Through preparations, CO2 

anesthesia was  kept  at  a  steady  level  via  a  chamber  fitted  to  the  holder  in  order  to 

prevent  the  animal  movement  and  to  reduce  hemolymph  pumping.  With  two  fine 

forceps the surrounded fat body was removed and the optic lobe was exposed. Then, the 

electrode tip was carefully inserted into the area next to the AME. After the implantation 

of  the electrode  into  the AME,  the window was  completely  covered by wax. A micro‐

dissecting needle was used to create a small hole  in the compound eye and the tibia of 

the  third  leg  for  inserting  the  tip  of  the  electrodes  using  two  fine  forceps.  Similar 

procedures were applied for inserting the reference electrodes into the hemolymph (e.g. 

middle of  the head capsule and  thorax). The  inserted electrodes  inside  the holes were 

fixed well with wax. 

The  electrode  recording  site  in  the  optic  lope was  identified  after  the  end  of  the 

long‐term  recording  by  applying  Prussian  blue  reaction  on  the  tissue  to  confirm  its 

contacts to the AME. Electrode marks were performed by passing a current pulse of 50 

µA  DC  for  10  seconds  using  a  custom  built  current  source  through  the 

measuring/reference stainless steel electrodes in the intact brain. The brain was removed 

Page 64: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

44  

and  treated  with  acidified  solution  of  2%  potassium  ferrocyanide  which  produces 

Prussian  blue  plaques  at  the  site  of  the  recording  electrode  as  an  indication  of  iron 

deposition  in  the  tissue  during  the  current  application.  So,  the  resulting  blue  can  be 

observed under the microscope. Brains were then stained with DAPI (4', 6‐diamidino‐2‐

phenylindole) for  further  confirmation  of  the  exact  location  under  the  fluorescence 

microscope. 

2.7.2. Experiential setup and recordings

After finishing the animal preparation, the animal holder was transferred and placed to 

its base, which was  fixed within  the  faraday cage of  the experimental  setup. The male 

PS/2 connecter within the cage was plugged into the holder via a female PS/2 connecter, 

in which  the measuring and  reference electrodes were  soldered. The other end of  the 

PS/2 connecter‐cable was connected to the headstages devices. Headstages were directly 

connected  to  filter/amplifier  units  (npi  electronic GmbH,  Tamm, Germany).  The  signal 

was processed with a high pass  filter and a  low pass  filter. Headstages and differential 

amplifiers, in which the recorded activities were fed through, are listed in Table 2.4. The 

recorded  signals are acquired and  stored  (e.g.  sampling  rate 500 Hz) on  the  computer 

using analog/digital  converter  interface  (Micro1401 mkII) and Spike2  software  (Spike 2 

V7.03, Cambridge  Electronic Design  Ltd., Cambridge, UK).  Two  light  sources  (i.e.  LEDs) 

were  installed,  the  first  was  used  in  experiments  under  LD  conditions  to  generate 

day/night cycles within the Faraday cage, while the second was positioned near the front 

of the compound eye and was used to generate light pulses (LP e.g. 10 ms at 30 minutes 

intervals)  via  an  optic  fiber  thread  connected  to  a  LED  placed  outside  of  the  cage  to 

reduce  ON/OFF  effects.  Lighting  was  controlled  with  Micro1401  mkII  digital/analog 

converter with Spike2  software. Figure 2.10  illustrates  the experimental  setup and  the 

location of the electrodes. 

Table 2.4: Summary of the headstages with their respective differential amplifiers used in the extracellular experiments 

 

 

Recordings/electrodes  Headstage  Filter/Amplifier unit 

Signals from the AME, EAA  EXT‐10/2F  EXT‐01C  & DPA‐2F 

Signals from the eye, ERG  ELC‐01MX 100M ELC 01‐MX 

Signals from the leg, EMG  EXT‐10/2F  EXT 10‐2F 

Page 65: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

45  

For  comparison,  the  locomotor  activities were  recorded  as  EMGs  and  by  a  video 

recording  system. Multimedia  files were automatically and  simultaneously  captured  to 

the  computer with  Spike2  video  recorder  equipped with  an  infrared  (IR)  camera  (e.g. 

Logitech Quickcam Pro 9000 Webcam, in which IR filter was removed manually) since the 

holder base was  supplemented with  infrared LEDs  to enable  the camera  to  record  the 

cockroach movements  in  darkness. Moreover,  the  recording  setup  is  equipped with  a 

microinjection  system  for  automated  series  of  neurotransmitter‐  and  neuropeptide‐ 

microinjection  experiments  to  analyze  the  circadian  network.  The  head  capsule  was 

viewed under a stereomicroscope supplied with a red light source (e.g. LED) to provide a 

visual control of  the  injection procedures. The compound eye was penetrated by a pin 

with a  fine  tip before  inserting  the microinjection capillary  to avoid  tip breaking during 

the  insertion. A borosilicate glass capillary with a diameter of 1 ± 0.2 µm (GC‐150F‐ 7.5, 

Harvard  Apparatus  Ltd.,  Edenbridge,  UK),  pulled  with  a  DMZ‐Universal  puller  (Zeitz‐

instrumente, Martinsried, Germany) was filled with the stimulus solution and positioned 

directly  into  the  pre‐opened  hole  in  the  compound  eye  using  a 

PatchStar micromanipulator (Scientifica  Ltd,  Uckfield,  UK).  As  control  injections,  saline 

solution  was  injected  in  the  same  way.  Injected  solutions  were  delivered  into  the 

hemolymph  using  ejection  pressure  by  Pneumatic  PicoPump  (PV  820, World  Precision 

Instruments, Inc., Sarasota, FL, USA). The injection time and its duration were controlled 

via the recording software with the possibility to apply injections at different CTs.  

2.7.3. Data analysis and measurements 

Recorded  data were  analyzed  offline  using  Spike2  software  (Version  7.03,  Cambridge 

Electronic Design  Ltd., Cambridge, UK). Each  single file was  contained five  channels  (3 

waveform channels for EAA, EMG, and ERG as well as 2 event channels for marking the 

durations  and  times  of  LPs  and microinjection).  24  hours  files were  created  from  the 

combination of consecutively recorded files.   

The  recorded  waveform  channels  of  the  neuronal  activity  of  the  AME  were 

converted  to  event  channels.  The mean  frequency  (number  of  events  within  a  time 

interval;  expressed  in  Hz)  and  the  instantaneous  frequency  (interevent‐interval, 

distribution  pattern  of  frequencies within  time  intervals;  expressed  in  Hz) were  then 

Page 66: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods  

46  

calculated over  the whole  time of  the experiment  to  visualize  the electrical activity of 

neurons. The data of the average number of events in the converted event channels per 

minute were exported as a text file.  

ERG‐amplitudes elicited by 10 ms LP every 30 minutes were calculated  to examine 

their  level  changes  (subjective  day  and  subjective  night)  during  the  course  of  the 

experiments. The data of the animals with a very clear rhythmic ERG, based on the sine 

curve obtained by OriginLab software, were imported as text file (time series data, 1 day 

= 48 data points) to ImageJ program, plugin ActogramJ software to measure the circadian 

time and free‐running period, using Chi‐Square periodogram.  

The  recorded  EMGs  waveform  channels  were  converted  to  event  channels.  To 

demonstrate  the  total  animal  activity  and  the  real  shape  of  locomotor  activities,  the 

average number of events was calculated for 1 min  intervals and  imported as a text file 

to ActogramJ software for plotting the aktograms. Moreover, the 1‐minute  intervals are 

grouped  into  30  minutes  intervals  and  plotted  as  histograms.  Videos  of  recorded 

movements were compared to the EMGs to evaluate the real locomotor activity patterns 

of the animal. All values are reported as mean ± SE. 

Data  obtained  from  the  locomotor  activities  and  the  AME  neuronal  activities 

(average activity per 30 minutes) were directly compared to investigate the relationships 

between AME  and  EMG.  The  correlation  (Spearman's  correlation  coefficient)  between 

the two data sets was calculated by OriginLab software respective to the circadian time 

of the animal, which calculated by the ERG rhythm. 

 

 

Page 67: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 2. Materials and methods

47  

 Fig. 2.10: Schematic view of  the  setup used  for electrophysiological experiments. The cockroach 

holder was placed into a Faraday cage. Stainless‐steel electrodes were inserted into AME, compound  eye,  and  leg muscles  of  an  intact  animal,  allowing  recording  of  its  neural activity.  Reference  electrodes  were  placed  in  the  hemolymph  (e.g.  head  capsule). Simultaneous output signals from eye, leg and AME were passed through the headstages to the filter/amplifier units and then to the analog‐digital converter (ADC) and at the end to a computer to be collected by the software. All devices were connected to the ground. For obtaining ERGs,  light pulses (LP, e.g. 10 ms) were given at 30 minutes  intervals via a light emitting diode (LED) by digital‐analog converter (DAC). The LED was located outside of the cage and illuminated in front of the compound eye by a fiber optic thread. Another LED was used to simulate light/dark (LD e.g. 12:12) cycles with the ability to simulate light levels at dusk and dawn.The movements of  the cockroach were acquired by an  infrared (IR) camera placed below the animal holder.  Image acquisitions were synchronized with the recorded signals. For details see text. 

input

output

input

output

input

output

Headstages

Camera

Faraday cage

LP

ADC & DAC interface

Amplifier/Filter unit

<# P>+

CPU

Monitor

Signals from AME

Signals from compound eye

Signals from leg

Pictures captured by IR camera 

LED con

trol

LED LD cycles control 

Page 68: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

48  

 

   

Page 69: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

49  

 

3. Results 

3.1. Neurotransmitters­induced  Ca2+  responses  in  the  cultured  circadian pacemaker neurons of the cockroach Rhyparobia maderae 

To identify possible inputs to the Madeira cockroach circadian clock system, Ca2+‐imaging 

experiments with dissociated  fura‐2  loaded AME neurons were performed  to measure 

neurotransmitter‐dependent  changes  in  intracellular  Ca2+  levels.  Tested 

neurotransmitters in this study were: acetylcholine (ACh), histamine (HA), γ‐aminobutyric 

acid (GABBA), glutamate (Glu), serotonin (5‐HT), and octopamine (OA).  

3.1.1.   Responses to acetylcholine (ACh) 

4.1.1.1. Effects of ACh on intracellular Ca2+ levels 

Application of ACh increased the intracellular Ca2+ level in the majority of the tested cells 

(n = 327 out of 347 cells). Both the amplitude and the duration of ACh‐induced calcium 

responses  in  AME  neurons  increased  in  a  dose‐dependent  manner  when  applying 

increasing  concentrations  of  ACh,  from  10  nM  to  1  mM  (Fig.  3.1).  The  threshold 

concentration  of  ACh  appeared  to  vary  between  10  nM  and  1  µM.  The  Ca2+  baseline 

increased  immediately after  the  initiation of ACh stimulation. The ACh‐dependent peak 

amplitude was calculated from baseline to the maximum magnitude, while the response 

duration  was  measured  from  the  beginning  of  the  intracellular  Ca2+  increase  until 

recovery  to  the  calcium baseline  levels.  The maximum peak of  the  response occurred 

within  few  seconds  after  the ACh  application.  The  increased Ca2+  level was  associated 

with  small  and  rapid  Ca2+  oscillations  in  about  80  %  of  the  tested  AME  cells,  which 

disappeared after the recovery to the control level. With increasing ACh concentrations, 

the  intracellular Ca2+  level  remained elevated  for a  short  time after ACh washout  from 

the bath solution and then returned to control  levels (i.e. the recovery was slower with 

increasing  concentrations  indicating  dose‐dependent  recovery).  A  remarkable 

desensitization was apparent at  the higher concentration  (e.g. 1 mM)  in about 60 % of 

the cells tested. In these neurons, the intracellular Ca2+ level was first increased but then 

decayed quickly, since the normalized response of 1 mM ACh application = 89.31 % when 

100 mM = 100 % (Fig. 3.1D). 

Page 70: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

50  

 

Fig. 3.1: Acetylcholine (ACh) increased both the amplitude and the duration of calcium responses in the accessory medulla (AME) pacemaker neurons in primary cell culture of the Madeira cockroach.  (A,  C)  Calcium  response  of  an  AME  neuron  loaded with  fura‐2  to  increasing concentrations  of  ACh  (B)  Pseudocolor  images  changes.  The  intracellular  calcium  level started  to  increase  immediately  after  ACh  application,  accompanied  by  rapid  Ca2+ oscillations.  At  higher  concentrations  of  ACh,  intracellular  calcium  levels  increased  only transiently,  expressing  fast  desensitization.  Ten  minutes  washes  separated  consecutive stimulus applications. Vertical arrow  indicates the start of the stimulation. Black solid bars indicate  the  duration  of  the  ACh  application.  (D)  Normalized  ACh  dose‐response  curve. Responses were normalized to the response at 100 µM ACh (=100 %). Data were plotted as mean ± SE. 

0

1

2

3

4

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3

0

20

40

60

80

100

120

ACh

0.4

0.4R/R0

1 min

1 mM

100 µM

10 µM

1 µM

100 nM

10 nM

ACh 10 nM

B

100 nM 1 mM 100 µM 10 µM 1 µM R

atio

(340

/380

nm

A

low Ca2+

High Ca2+

Δt = 20 s 10 µm

D

30 s

R/R0

C 10 nM 100 nM 1 µM 10 µM 100 µM

Nor

mal

ized

Res

pons

e (%

)

Log [ACh] (M)

Response duration Response peak

Page 71: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

51  

4.1.1.2. Responses to ACh is mediated by nicotinic receptors 

To determine whether the sustained Ca2+ increases induced by ACh were mediated either 

via  ionotropic  nicotinic  receptors  (nAChRs)  or  via metabotropic muscarinic  receptors 

(mAChRs),  nAChR  and  mAChR  agonists  and  antagonists  were  applied  (Fig.  3.2). 

"Responses to the nAChR agonist nicotine (50 µM) resembled responses to 100 µM ACh 

in all  cells  tested  (n = 31  cells).  In  contrast, none of  the  tested  cells  responded  to  the 

mAChR  agonist  pilocarpine  (50  µM)  (n  =  31).  Also,  pre‐incubation  with  the  mAChR 

antagonist  scopolamine  (50  µM)  did  not  block  nicotine‐responses  in  any  of  the  cells 

tested (n = 11)" (Baz et al., 2013). 

 

 

Fig.  3.2: Acetylcholine  (ACh)  activates  nicotinic,  but  not muscarinic  cholinergic  receptors  in  the cultured AME  pacemaker  neurons  of Madeira  cockroach.  (A). ACh  (100 µM)  responses were  simulated  via  nicotine  (Nic,  50  µM),  the  nicotinic  ACh  receptor  agonist, while  the muscarinic  ACh  receptor  agonist  pilocarpine  (Pilo,  50  µM)  was  ineffective.  Nicotine responses  as  well  as  ACh  responses  were  blocked  via  pre‐incubation  (5 min)  with  the nicotinic  ACh  receptor  antagonist mecamylamine  (50  µM),  but  not  via  preincubation  (5 min) with the muscarinic ACh receptor antagonist scopolamine (50 µM). (B) No elevation of Ca2+ occurred  in  response  to  the ACh application  in presence of mecamylamine  (50 µM), while the response occurred in presence of scopolamine (50 µM). Black solid bars indicate the duration of the application. Open bars mark the presence of different bath solutions. 

scopolamine

Pilo

0.05R/R

0

mec

amyl

amin

e

scop

olam

ine

Incu

batio

n

ACHPilo NicNicPiloNicsaline

ACHA

was

h

was

h

was

h

was

h

Incu

batio

n

1 min

mecamylamine

mec

amyl

amin

e

saline

was

h

scop

olam

ine

Incu

batio

n

was

h

Incu

batio

n

B AChmecamylamine

AChAChACh

0.1

R/R0

1 min

scopolamine

Page 72: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

52  

"After  blocking  the  nAChRs  with  the  nAChR  antagonist  mecamylamine  (50  µM), 

nicotine ceased to  increase the  intracellular Ca2+  level  in all of the cells tested  (n = 23). 

Pilocarpine,  nAChRs  agonist,  did  not  affect  the  intracellular  Ca2+  level  in  presence  of 

scopolamine or mecamylamine. The mAChR antagonist scopolamine never affected  the 

ACh‐induced Ca2+  increase (n = 20), while the nAChR antagonist mecamylamine blocked 

the ACh effect  in all cells tested (n = 20) (Fig. 3.2B). Therefore, all ACh responses of the 

AME cells appeared to be mediated via nAChRs, but not via mAChRs"(Baz et al., 2013). 

4.1.1.3. ACh­induced  Ca2+  increase  is  mediated  by  voltage­activated  Ca2+ channels 

"In all AME cells  tested, addition of 10 µM mibefradil  (reversible voltage‐activated Ca2+ 

channel blocker) reduced the intracellular Ca2+ baseline level and blocked Ca2+ increases, 

which were induced by 100 µM ACh or 50 µM nicotine (n = 22 cells) (Fig. 3.3). Therefore, 

the ACh‐induced Ca2+  increase  in the AME cells was mediated by voltage‐activated Ca2+ 

channels" (Baz et al., 2013). 

 

 

Fig.  3.3:  Acetylcholine  (ACh)  activates  voltage‐dependent  calcium  channels  in  the  cultured circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach. Pre‐incubation (5 min) with the voltage‐activated  calcium  channel blocker mibefradil blocks ACh  (100 µM)  and nicotine (Nic, 50 µM) dependent calcium increases in calcium imaging experiments of primary cell cultures of  the accessory medulla. About 10 min washout of  the blocker  reversed ACh‐responses. Black solid bars  indicate  the duration of  the application. Open bars mark  the presence of different bath solutions.   

saline

mib

efra

dil

mibefradil

mib

efra

dil

was

h

Incu

batio

n

Incu

batio

n

mibefradil

AChACh NicACh

0.11 min

R/R0

Page 73: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

53  

3.1.2. Responses to histamine (HA) 

3.1.2.1. Effects of histamine on intracellular Ca2+ levels 

Histamine  (HA)  solution  (100  µM)  evoked  three  different  response  types  immediately 

after  the  application  (Fig. 3.4A). Response  type  I  showed  a  rapid decrease  in  the Ca2+ 

baseline  concentration  following  the  HA  application.  This  HA‐dependent  decrease 

remained for 325.84 ± 13.8 s (mean ± SE) after treatment and, thereafter, it recovered to 

baseline  levels.  Response  type  II  expressed  an HA‐dependent  sustained  Ca2+  decrease 

(long‐lasting response). Even after washout and  in the absence of HA, it did not recover 

to baseline levels. "Response type III included all cells which responded to HA application 

with irregular changes in spontaneous calcium oscillations" (Baz et al., 2013). 

"The  percentages  of  each  response  type  were  calculated  at  three  different 

concentrations of HA (1, 10, and 100 µM) (Fig 3.4B).  In 14.19 % of the tested cells (n = 

191 cells), responses to 1 µM HA were observed (type I = 5.88 %, type II = 0 %, type III = 

8.31 %).  In  30.79 %  of  the  tested  cells  (n  =  311  cells),  responses  to  10  µM HA were 

observed (type I = 14.78 %, type II = 4.15 %, type III = 11.86 %). In 48.65 % of the tested 

cells (n = 266 cells), responses to 100 µM HA were observed (type I = 19.02 %, type II = 

10.09 %, type III = 19.53 %)" (Baz et al., 2013). 

"To examine the dose‐dependency of type I HA responses, amplitudes and durations 

of the responses at increasing concentrations (100 nM to 100 µM) of HA were calculated. 

The amplitude was measured  from  the control  level  to  the maximum  intracellular Ca2+ 

decrease.  The  duration  of  the  responses  was  calculated  from  the  beginning  of  the 

intracellular  Ca2+  decrease  until  recovery  to  control  levels. While  the  durations  of  the 

responses  changed  in  a  dose‐dependent  manner  (Fig.  3.5A),  response  amplitudes 

appeared to be saturated since they did not show significant dose‐dependency (P > 0.05, 

ANOVA). The  threshold concentration  for  the HA effect varied between 100 nM and 1 

µM. The  responses were normalized  to  the  response at 100 µM HA  (=100 %). A dose–

response curve was constructed based on the normalized duration of the response (Fig 

3.5B).  The  response  duration  increased with  increasing  concentrations  of HA.  Possibly 

due to desensitization at higher concentrations of HA (1 mM) there was first an increase 

Page 74: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

54  

in  intracellular Ca2+  levels before Ca2+  levels decreased for  longer time  intervals" (Baz et 

al., 2013). 

 

Fig. 3.4: Effects of histamine  (HA) application on  the  intracellular  calcium  concentrations  in  the cultured circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach. (A) Three different HA response types (named type I, II, III) can be distinguished according to response kinetics to 100 µM HA applications  for 60 s  (black solid bars). Type  I HA‐response  is  transient, while type  II HA‐response  is  longer  lasting than the stimulus applications and do not recover to control  levels  after washout.  Type  III  response  includes  all  cells, which  express  irregular changes  in  spontaneous  calcium  oscillations  after  HA  application.  (B)  At  different concentrations of HA, 1, 10, and 100 µM the percentages of the histamine response types varied. Data presented as mean ± SE. Modified from Baz et al. (2013). 

 

3.1.2.2. Histamine­receptors in AME neurons 

Cimetidine  (Vertebrates  histamine  H2  receptor  antagonist)  and  picrotoxin  (chloride 

channel  blocker)  were  employed  to  characterize  the  HA‐receptors  or  HA‐gated  ion 

channels (Gisselmann et al., 2002). Preincubation of AME neurons with 50 µM cimetidine 

reduced or blocked HA‐dependent inhibitory response in about 40 % of the tested cells (n 

= 13 out of 32), while almost all of the tested cells showed no HA‐responses with 500 µM 

cimetidine.  On  the  other  hand,  picrotoxin  (100  µM)  did  not  affect  HA‐dependent 

responses in all cells tested (n = 114 cells) (Fig. 3.6).  

A

0.21 min

R/R0

HAType I

Type II

Type IIIHA

HA

I II III

0

5

10

15

20

25

B

Perc

enta

ge o

f res

pond

ed c

ells

(%)

HA Response Type

1 µM 10 µM 100µM

Page 75: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

55  

 

 

Fig. 3.5: Histamine (HA)‐dependent response of type I is dose‐dependent. (A) Response of an AME neuron  to  increasing  concentrations  of  HA.  The  durations  of  the  HA‐induced  response increased  dose‐dependently.  As  shown  in  the  pseudocolor  images  changes  and  the recorded traces, the intracellular calcium level decreased immediately after HA applications and  after  the washout  it  remains  for  a  few minutes  and  thereafter  it  recovered  to  the control level. Interestingly, at 1mM HA firstly increased the intracellular Ca2+ level, before it declined for a long time. Vertical arrow indicates the start of the application. The black solid bars  indicate the duration of the application. (B) Normalized HA dose‐dependent response curve based on the response durations. Responses were normalized to the response at 100 µM HA  (=100 %). Data were  plotted  as mean  ±  SE. Graph B  is modified  from Baz  et  al. (2013). 

-7 -6 -5 -4

0

20

40

60

80

100

120

Δt = 20 s

1 mM

100 μM

10 μM

1 μM

HA 100 nM

R/R0

low Ca2+

0.21 min

HA 1 mM

HA 10 mM

High Ca2+100 nM

HA 1 mM

HA 100 mM

10 μm

A HA

Nor

mal

ized

Res

pons

e (%

)

Log [HA] (M)

B

Page 76: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

56  

 Fig.  3.6: Histamine  (HA)‐dependent decreases  in  the  intracellular  calcium  concentrations of  the 

cockroach  circadian  clock  neurons  are mediated  via  cimetidine‐sensitive HA  receptors. Preincubation of cultured AME neurons with histamine receptor antagonist cimetidine (500 µM) prevented 50 µM HA–dependent responses, while picrotoxin (100 µM) was ineffective. About 10 min washout of the blocker reversed HA‐responses. Black solid bars  indicate the duration of the application. Open bars mark presence of different bath solutions. 

 

3.1.3. Responses to GABA 

3.1.3.1. Effects of GABA on intracellular Ca2+ levels 

Application of GABA, the main inhibitory neurotransmitter of the insect nervous system, 

showed mainly  two  response  types  (Fig. 3.7). The  first  response  type was observed  in 

about  35 %  of  the  tested  cells  (n  =  37  of  105  cells).  The  response  pattern  could  be 

characterized by a decrease  in the Ca2+ baseline following the application of GABA. This 

GABA‐dependent decrease remained for some time after the treatment and, thereafter, 

it recovered to baseline levels. Application of GABA in different concentrations (1 µM, 10 

µM, 100 µM, and 1 mM) showed that the intracellular calcium levels were decreased in a 

dose‐dependent manner (Fig. 3.7 A, B). The second response type was observed in about 

9 % of the tested cells. The response pattern was characterized by a transient increase in 

the  Ca2+  baseline  following  the  application  of  GABA.  This  GABA‐dependent  increases 

remained  for  some  time  after  the  treatment  and,  thereafter,  it  recovered  to  baseline 

levels. Application of GABA  at different  concentrations  (1 µM,  10 µM,  100 µM,  and  1 

mM) increased intracellular calcium levels dose‐dependently. Application of 1 mM GABA 

evoked an unsteady, double‐peaked reaction with reduced amplitude,  in comparison to 

100 µM GABA (Fig. 3.7 C, D). 

picr

otox

inIn

cuba

tion

was

h

was

h

Incu

batio

nci

met

idin

e

HApicrotoxincimetidine

HAHA HAHA

0.1

2 min

R/R0

saline

Page 77: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

57  

 

Fig. 3.7: Calcium responses of circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae to GABA.  (A) GABA decreased  the  intracellular calcium  levels dose‐dependently. (B)  Normalized  dose‐response  curve  of  GABA‐dependent  calcium  decreases.  Responses were normalized to the response at 1 mM GABA (=100 %). Data were plotted as mean ± SE. (C) GABA increased the intracellular calcium levels dose‐dependently. (D) Normalized dose‐response curve of GABA‐dependent calcium  increases. Responses were normalized  to  the response at 100 µM GABA (=100 %). Data were plotted as mean ± SE. Black solid bars in A & B indicate the duration of drug application. 

3.1.3.2. Different types of GABA receptors may mediate GABA­dependent inhibitory responses  

To  characterize  the  receptor  types  involved  in  the  GABA  responses,  neurons  were 

exposed  to GABA or muscimol  (GABAA  receptor agonist)  in  the absence or presence of 

picrotoxin  (GABAA  receptor  antagonists).  The  response  to  muscimol  resembled  the 

response to GABA (Fig. 3.8 A‐C) (n = 15 of 20 cells responded to GABA). Neither GABA‐ 

nor muscimol‐dependent decreases were completely blocked by the preincubation of the 

AME neurons with 100 µM picrotoxin (n =10 cells). Thus, the inhibitory responses can be 

mediated by GABAA receptors and may be GABAA receptors (Fig. 3.8A). In other neurons 

tested,  only muscimol‐but  not  GABA‐dependent  Ca2+‐decreases  were  blocked  by  the 

preincubation with picrotoxin (n = 4 cells),  indicating that the  inhibitory responses were 

not mediated exclusively by GABAA receptors (Fig. 3.8B).  In some AME neurons (n = 3), 

picrotoxin  was  able  to  completely  block  GABA‐  and Muscimol‐dependent  inhibitions, 

indicating  that  the  inhibitory  responses were mediated  only  by GABAA  receptors  (Fig. 

3.8C). Moreover,  in few tested cells (n = 3 cells), the GABA response was not simulated 

GABAGABAGABAGABA

0.52 min

R/R0

GABAGABAGABAGABA

0.22 min

R/R0

1 μM 10 μM 100 μM 1 mM

1 mM100 μM10 μM1 μM

125

100

75

50

25

01 µM 10 µM 100 µM 1 mM

[GABA]

Nor

mal

ized

resp

onse

(%)

1 µM 10 µM 100 µM 1 mM0

25

50

75

100

125

Nor

mal

ized

resp

onse

(%)

[GABA]

DC

BA

Page 78: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

58  

via  the GABAA  receptor  agonist muscimol.  In  addition  to  the  above  experiments,  few 

experiments were  performed  to  search  for  the  presence  of  GABAB  receptors  in  AME 

neurons. To do so, the AME neurons were exposed to baclofen (GABAB receptor agonist) 

after application of GABA. Only in a very limited number of neurons tested (n = 2 of 15), 

baclofen resembled GABA‐responses, suggesting the presence of GABAB receptors in the 

AME neurons (Fig. 3.9). More experiments have been performed (in: Giese, 2014), which 

suggested the same results.  

 

Fig. 3.8: GABA‐dependent inhibitory responses were not mediated exclusively by GABAA receptors. (A) GABA  responses  (100  µM)  and  muscimol  responses  were  not  completely  blocked  via preincubation  (5 min) with the GABAA  receptor antagonist picrotoxin.  (B) Muscimol  responses were  blocked, while GABA  responses were  not  abolished  in  presence  of  picrotoxin.  (C) Both GABA  and muscimol  responses were  blocked  in  presence  of  picrotoxin.  Data  obtained  from different  neurons.  About  10 minute washout  of  the  blocker  reversed  GABA‐  and muscimol‐responses. Black solid bars indicate the duration of the application. Open bars mark presence of different bath solutions 

saline

was

h

picr

otox

inin

cuba

tion

GABAGABA

GABA GABA

GABAGABA Muscimol

Muscimol

MuscimolMuscimol

Muscimol

Muscimol

GABA

GABA

saline

saline

GABA

was

hw

ash

was

h

incu

batio

nPicrotoxin Picrotoxin

2 min

0.3R/R

0

2 min

2 min

0.2

0.2

R/R0

R/R0

picr

otox

inin

cuba

tion

was

hw

ash

picr

otox

in

Picrotoxin

C

B

Picrotoxin Picrotoxin

Picrotoxin

A

Page 79: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

59  

  

Fig.3.9: Effects of GABAB receptor agonist baclofen  on  the  intracellular  calcium concentration  in  the  cultured  circadian pacemaker  neurons  of  the  Madeira cockroach.  Baclofen  resembled  GABA‐responses.  Both  (100  µM)  decreased  the intracellular  calcium  level,  suggesting  the presence of GABAB  receptors  in  the AME neurons.  

3.1.4 Responses to other neurotransmitters 

Fewer  calcium  imaging  experiments  were  carried  out  to  investigate  other 

neurotransmitters  that  may  change  the  intracellular  calcium  concentrations,  such  as 

glutamate (Glu), octopamine (OA), and serotonin (5‐HT).  In these experiments, only the 

response types were distinguished as well as concentration‐dependence. Application of 

Glu decreased the calcium concentrations of the AME cells dose‐dependently (n = 11 of 

100 cells) (Fig. 3.10). Application of the OA either increased (Fig. 3.11A) (n = 29 of 60) or 

decreased (Fig. 3.11B) (n = 7 cells) the intracellular calcium levels in the AME pacemaker 

neurons  in  a  dose‐dependent manner.  Application  of  the  5‐HT  either  increased  (Fig. 

3.12A) (n = 17 of 60 cells) or decreased (Fig. 3.12B) (n = 14 cells) the intracellular calcium 

levels in the AME pacemaker neurons in a dose‐dependent manner. 

 

Fig. 3.10: Glutamate (Glu) decreased the intracellular calcium levels in the cultured AME neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae. (A) Application of Glu causes a decrease in  the  intracellular calcium  levels  in a dose‐dependent manner. Black solid bars  indicate the  duration  of  drug  applications.  (B) Normalized ACh  dose‐response  curve. Responses were normalized to the response at 1 mM ACh (=100 %). Data were plotted as mean ± SE.  

GluGluGluGlu

0.11 min

R/R0

B1 μM 10 μM 100 μM 1 mM

A

125

100

75

50

25

01 µM 10 µM 100 µM 1 mM

[Glutamate]

Nor

mal

ized

resp

onse

(%)

R/R0

0.3

1 min

BaclofenGABA100 μM 100 μM

Page 80: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

60  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Fig. 3.11: Calcium responses of circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae  to  octopamine  (OA).  (A)  Different  concentrations  of  OA  increase  the intracellular  calcium  levels  without  clear  dose‐dependency.  (B)  Application  of  OA  can increase  the  intracellular  calcium  levels  dose‐dependently,  but  starts  to  show desensitization  at 100 µM  and 1mM OA. Black  solid bars  indicate  the duration of drug application. 

 

 Fig.  3.12:  Calcium  responses  of  circadian  pacemaker  neurons  of  the  Madeira  cockroach Rhyparobia maderae to serotonin  (5‐HT). Application of 5‐HT either decreased  (A) or increased (B) the intracellular calcium levels in fura‐2 loaded AME cells. The duration of the  5‐HT‐response  expressed dose‐dependency more  than  the  amplitude. Black  solid bars indicate the duration of drug applications.   

B5-HT5-HT5-HT

0.21 min

R/R0

5-HT5-HT5-HT

0.22 min

R/R0

A10 μM 100 μM 1 mM

1 mM100 μM10 μM

OAOAOAOA

0.2

1 min

R/R0

OAOAOAOA

0.2

2 min

R/R0

B

1 μM 10 μM 100 μM 1 mM

1 mM100 μM10 μM1 μM

A

Page 81: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

61  

3.2. Signaling mechanisms of the neuropeptide pigment­dispersing factor (PDF) in the cultured circadian pacemaker neurons 

Using Ca2+  imaging and Förster resonance energy transfer (FRET) experiments, signaling 

mechanisms  of  neuropeptide  PDF  were  investigated.  In  these  experiments,  PDF  was 

applied  to  the cultured AME neurons  to  identify and distinguish between calcium‐ and 

cAMP dependent changes in response to PDF. 

3.2.1. Effects of PDF on the intracellular Ca2+ activity  

Bath application of neuropeptide PDF to cultured AME neurons produced different types 

of  response  pattern  (Wei  et  al.,  2014).  The  identified  types  were  not  characterized 

according  to  their morphology,  but  only with  respect  to  their  responses  to  PDF  (i.e. 

changes  in  the  intracellular  calcium  levels  before  and  after  PDF  application).  AME 

neurons were classified into five types (named types 1‐5, Fig. 3.13).  

"The type 1 AME neurons showed spontaneously occurring regular, large‐amplitude 

Ca2+ transients (~3%; 51 of 1526 AME neurons; Wei et al., 2014). PDF increased the Ca2+ 

baseline concentration and also  the  frequency of oscillating Ca2+  transients  in 58.8% of 

type 1 AME neurons (n = 30 of 51) recorded (Fig. 3.13A). The threshold concentration for 

the  PDF  effect  varied  between  100  nM  and  250  nM.  Besides  regularly  active  type  1 

pacemaker neurons, other AME neurons were  less  regularly active or not active at all. 

The  PDF‐sensitive  type  2  neurons  were  silent,  non‐spiking  AME  cells,  with  low 

intracellular Ca2+ baseline levels, indicative of hyperpolarized membrane potentials. They 

transiently increased intracellular Ca2+ baseline levels after PDF application (n = 29 of 792 

silent  recorded  cells)  (Fig.  3.13B).  The  PDF‐dependent  Ca2+  increase  occurred  with 

different kinetics in type 2 AME cells." PDF responses to different concentrations showed 

that type 1 and type 2 AME pacemakers were dose‐dependent and reversible (Fig. 3.14) 

(Wei  et  al.,  2014).  "The  PDF‐sensitive  type  3  cells were  not  silent  as  type  2  cells  but 

produced  large Ca2+  transients which were  less regular as compared  to  those of  type 1 

cells. In type 3 cells, PDF increased the Ca2+ baseline concentration only slightly or not at 

all. The  increase of the Ca2+ baseline was not dependent on the PDF concentration (Fig. 

3.13C). In addition, PDF strongly decreased the amplitude of large Ca2+ transients in type 

Page 82: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

62  

3 cells before blocking oscillating large Ca2+ transients altogether (n= 4 of 389 irregularly 

active AME neurons; Wei et al., 2014). Type 4 cells had elevated  intracellular Ca2+  levels 

which rapidly decreased  following PDF application  (n=8 of 294 AME cells with elevated 

intracellular  Ca2+  baseline  levels; Wei  et  al.,  2014)  (Fig.  3.13D)"  (Wei  et  al.,  2014).  In 

addition to the previously‐described types, it was interesting to find that few silent AME 

neurons were modulated via PDF and produced spontaneously occurring regular,  large‐

amplitude Ca2+  transients during  the beginning of PDF washout  (n = 3 cells)  (Fig. 3.13E 

and Fig. A.4). One of these cells showed a flip‐flop activity (Fig. 3.13E). One can consider 

this type as a PDF response, since the silent AME cells were not observed to change their 

calcium  transient  (i.e.  convert  into  a  spontaneous  active)  suddenly in  all  experiments 

without  an external  stimulus even with  long  time  recordings  (Fig. A.3). Moreover,  the 

above‐described cell type was recorded from different cultures/experiments.  

   

Fig.  3.13:  Representative  examples  of  different  types  of  calcium  responses  induced  by  bath applications  of  PDF  in  cultured  AME  neurons  of  the Madeira  cockroach  Rhyparobia maderae. (A) Type 1 AME neurons are spontaneously active with regular Ca2+ transients. PDF  increases the  frequency of their Ca2+ transient and the Ca2+ baseline amplitude.  (B) Type 2 AME neurons are silent cells with low baseline Ca2+ levels. The Ca2+ baseline levels increased  in  response  to PDF.  (C)  "Type  3  cells  are  less  regularly  spontaneously  active than type 1 cells. PDF application slightly increases baseline Ca2+ levels while suppressing high amplitude Ca2+  transients." This  type was  recorded and appeared as  in Wei et al. (2014).  (D) Type 4 AME neurons have a high Ca2+ baseline  level, which  is decreased by PDF application. (E) Type 5 AME neurons are silent AME neurons with  low Ca2+ baseline levels,  which  exhibited  no  spontaneous  activity.  PDF  converts  the  silent  state  into  a spontaneously active state with large‐amplitude Ca2+ transients. A second PDF application returned  the cell back  to  the silent state. Each graph contains a PDF‐responsive neuron from different experiments. Black solid bars indicate the duration of the PDF application.  

A B C

D E

2 min

R/R00.2

1 min

[Ca2]i50nM

2 min

R/R00.5

1 min

R/R00.2

1 min

R/R00.2

PDF 1 µM PDF 250 nMPDF 1 µM

PDF 1 µM PDF 1 µM PDF 1 µM

Page 83: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

63  

 Fig. 3.14: PDF‐sensitive types 1 and 2 AME neurons are dose‐dependently and reversibly. (A) PDF 

application with  different  concentrations  changes  the  frequency  and  amplitude  of  the spontaneous active neuron (type 1)  in a dose‐dependent manner. (B) None spontaneous active neuron  (type 2, silent cell) shows an  increase  in  the  intracellular calcium  levels  in dose‐dependent manner.  Black  solid  bars  indicate  the  duration  of  the  PDF  application. Modified from Wei et al. (2014).  

 

3.2.2. PDF signaling is not exclusively mediated via adenylyl cyclase (AC)/cAMP pathway 

With  calcium  imaging  experiments,  Wei  et  al.  (2014)   showed  that  PDF‐dependent 

responses in type 1 AME cells were mediated via the activation of adenylyl cyclase (AC); 

while  in  type  2  AME  cells  were  not  mediated  by  the  PKA/cAMP  signaling.  Similar 

experiment result is shown in Figure 3.15. Briefly, it was noted that forskolin (FSK), an AC 

activator,  caused  an  increase  in  the  intracellular Ca2+  level  in  the  tested AME neurons 

that was similar to that observed with the PDF‐dependent responses for both AME types 

(i.e. types 1 and 2). Preincubation with SQ22536, an AC  inhibitor, reversibly blocked the 

FSK‐dependent responses. PDF response in type 1 AME neurons was also blocked in the 

presence  of  SQ22536.  The  PDF  response  was  observed  after  washout  of  SQ22536, 

confirming that PDF responses resulted from the activation of AC.  In contrast, SQ22536 

could not abolish the PDF responses of type 2 pacemakers, indicating that the response is 

PDF 100 nM 250 nM 500 nM 1 µM

2 min

[Ca2]i50 nMw

ash

wash

wash

A

PDF 100 nM 250 nM 500 nM 1 µM

2 min

[Ca2]i10 nMw

ash

wash

wash

B

Page 84: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

64  

not mediated by AC activation (Wei et al, 2014). Therefore, the previous data support the 

idea that cAMP seems to play a role  in the PDF stimulation (i.e. cAMP  is  involved  in the 

signaling  pathway).  To  verify  this  possibility,  FRET  experiments  were  carried  out  to 

examine  whether  indeed  the  neuropeptide  PDF  signals  via  AC  activation  in Madeira 

cockroach  circadian  pacemaker  neurons.  In  these  experiments,  only  PDF‐dependent 

effects on the AME neurons type 1 and 2 were investigated. FRET studies employed the 

differently  fluorescence‐labeled  two  subunits of  the  cAMP‐dependent protein kinase A 

(PKA) FRET sensor to monitor cAMP changes in the AME neurons.  

First, with calcium imaging, types 1 and 2 of AME cells were identified in response to 

PDF  application.  Afterward,  the  responded  cells were  injected  by  the  FRET‐sensor  to 

image  cAMP  in  neurons.  Microinjection  of  the  sensor  was  performed  in  42  PDF‐

responsive  cells  of  different  sizes  recorded  from  different  cultures. Unfortunately,  cell 

survival  rates  achieved  after  the microinjection  were  just  around  42%. Many  factors 

controlled  the  injection  procedures  (e.g.  cell  size,  sensor  volume  and  concentration, 

photobleaching, etc.). Cells showed changes  in the fluorescence (i.e. photobleaching) at 

the time course after FRET‐sensor microinjection were excluded from the study.  

To measure whether PDF has effects on cAMP  levels  in  the  individual  type 1 AME 

neurons,  PDF was  bath  applied  to  the microinjected  cells with  FRET‐sensor.  In  8  of  9 

neurons successively microinjected, PDF  (1 μM) caused an  increase  in  the  fluorescence 

ratio which indicates an increase in the intracellular cAMP level. The maximal cAMP level 

was achieved after 1‐2 min (Fig. 3.16A) and showed usually a long‐lasting response with 

different  amplitudes  and  kinetics.  The  fluorescence  ratio  changes  were  significantly 

different  from  the baseline  (Mann‐Whitney U‐test, p < 0.05)  (Fig. 3.16C, D). Moreover, 

co‐application of FSK (10 μM) and IBMX (20 μM) generated a response that was similar to 

the response of PDF application (n = 2 cells) (Fig. 3.16E).  

In  contrast,  almost  all  tested  type  2  cells  showed  no  cAMP  response  to  bath 

application of PDF  (n = 7 of 8 cells)  (Fig. 3.16B). Comparisons of  the  fluorescence ratio 

changes before and after PDF application showed no significant change in the AMP levels 

(Mann‐Whitney U‐test, p > 0.05)  (Fig. 3.16C, D). Co‐applications of  IBMX and FSK were 

performed to the same cell that showed no PDF response to exclude the possibility that 

Page 85: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

65  

these  neurons  were  dead  (Fig.  3.16F).  The  cAMP  baseline  of  the  tested  cells  was 

increased only upon the AC activation and the phosphodiesterase (PDE) inhibition, PDEs 

degrade cAMP. This may exclude any role of the AC  in the response of this type of the 

AME neurons to PDF.  

 

Fig. 3.15: PDF increased the Ca2+ baseline and the frequency of oscillating Ca2+ transients of type 1 neurons  via  adenylyl  cyclase  (AC)  activation.  (A)  Bath  application  of  PDF  (1  µM)  in presence of SQ22536  (20 µM), adenylyl cyclase  (AC)  inhibitor,  stops  the PDF  responses. The PDF‐response is re‐achieved after SQ22536 washout. Thus, the PDF‐ response in type 1 cells depends on the AC/cAMP signaling. (B) Since PDF application to type 2 cells  is not affected  by  AC  inhibition  via  SQ22536  (20  µM)  PDF  responses  in  type  2  cells  are independent of AC. Black  solid bars  indicate  the duration of  the application. Open bars mark presence of different bath saline solutions. 

 

 

PDF 1 µMsaline

SQ 22536

PDF 1 µM PDF 1 µM

1  min

R/R0

0.1

SQ 225

36incubatio

n

A

wash

PDF 1 µM

SQ 22536

PDF 1 µM PDF 1 µM

1  min

R/R0

0.1

SQ 225

36incubatio

n

B

wash

saline

Page 86: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

66  

 

Fig.  3.16:  PDF‐induced  responses  in  the  AME  neurons  are  not  exclusively  mediated  by  the cAMP/PKA pathway signaling. (A) Examples of PDF‐dependent cAMP increases in type 1 AME neurons show different response kinetics after the bath application of 1 µM PDF. (B) Examples  of  type  2  AME  neurons  show  no  cAMP  increase  in  response  to  1  µM  PDF application.  (C,  D)  Average  plots  of  the  PDF‐responses  of  the  type  1  and  2  AME pacemaker  neurons.  Comparisons  of  cAMP  baseline  levels  before  and  after  PDF application  in  both  AME  types  showed  a  significant  PDF  effect  in  type  1  after  PDF application (Mann‐Whitney U‐test, p < 0.05); while no significant effect occurred in type 2 (Mann‐Whitney U‐test, p > 0.05). Also, there was a significant difference in the baseline changes between the types 1 and 2 AME, (Mann‐Whitney U‐test, p < 0.05), whereas the amplitude was  larger  in  the  type  1  response  than  in  the  type  2  response. Results  are presented as means ± SE. (E) Effect of 1 µM PDF and re‐stimulation with 10 µM forskolin (FSK) and 20 µM IBMX. (F) The intracellular cAMP levels increased in response to 10 µM forskolin (FSK) and 20 µM IBMX in the AME cell which showed no cAMP response to PDF. The  fluorescence  ratio was normalized  to  the prestimulatory baseline  level. Black  solid horizontal bars indicate the duration of the application.  

 

1  min

R/R00.2

PDF FSK + IBMXPDF FSK + IBMX

1  min

R/R00.2

A B

Type 1 AME neurons PDF response Type 2 AME neurons PDF response

1  min

R/R00.2 0.6

0.81

1.21.41.61.8

2

Type 1 Type 2 N

orm

aliz

ed ra

tio (F

520/F

580) Before PDF application

After PDF applicatiion

1  min

R/R00.2

1  min

R/R00.2

PDF

C D

PDF

E F

sig.

n.sig.

Page 87: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

67  

The dose‐response curve of the PDF application was hard to establish because of the 

long‐lasting response of the majority of cells tested (i.e. the baseline was not recovered 

to  the  control  level  after  washing  out).  A  second  application  of  PDF  at  higher 

concentrations  (10  µM)  (Fig.  3.17)  further  elevated  the  intracellular  cAMP  levels, 

indicating a dose‐dependent increase (n = 2).  

 

 

 

 

Fig. 3.17: Application of 1 μM PDF and the effect of re‐perfusion with 10 μM PDF in the same cell. Further  increase  in  the  cAMP  concentrations  was  detected  upon  the  application  of  a different concentration. Changes in the intracellular cAMP levels response pattern indicate that  the  response  is  concentration‐dependent.  Black  solid  horizontal  bars  indicate  the duration of the application. 

 

Unfortunately, cAMP baseline elevations cannot be detected in responses to a single, 

rapid  PDF  application  (100 mM,  200 ms)  via  pressure  ejection  by  a  Picospritzer.  The 

cAMP‐dependent  increases  were  only  achieved  with  bath  applied  PDF.  FRET  was 

combined with calcium  imaging  recording  for  the  simultaneous measurement of cAMP 

and calcium changes. Preliminary results of these attempts are shown in the Appendix.  

   

1 min

R/R00.3

PDF 1 µM PDF 10 µM

Page 88: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

68  

3.3. Histamine phase­shifts the circadian locomotor activity rhythm of the cockroach Rhyparobia maderae  Phase shifts of  the circadian  locomotor activity rhythm of  the cockroach R. maderae  in 

response to histamine (HA) and saline, as control, were measured at different circadian 

times (CTs). The phase shifts and CTs were calculated on the basis of the onsets of daily 

activity of the animal (see: Material and Methods, section 2.6).  Injection of HA (2 x 10‐12 

mol;  n  =  59)  at  different  CT  induced  phase  delays  at  the  late  subjective  day/early 

subjective night and phase advances at  the  late  subjective night. Examples of  running‐

wheel recording of HA‐dependent phase shifts are presented  in Figure 3.18. The phase 

shifts in the activity onsets were averaged to show the mean ± SE for 3‐hours bins of CTs 

of  injections.  Saline  injections  (n  =  39)  at  different  CTs  induced  non‐significant  phase 

shifts (Kruskal‐Wallis test; p > 0.05). Comparing HA‐dependent phase shifts with controls 

after the saline injections showed significant differences (Kruskal‐Wallis test, p < 0.05) at 

CT  10.5,  CT13.5  and  CT  19.5  (Dunn’s  post  hoc  test;  p  <  0.05); while  the  other  points 

showed little or no phase difference. Figure 3.19 shows phase response curves (PRCs) for 

the  locomotor  activity  rhythm  of  the  cockroach,  injected  with  HA  and  saline.  The 

outcomes of the PRC are summarized in Table 3.1, which gives the CTs, respective phase 

shifts and the number of animals. Applying HA at different doses (2 x 10‐14 mol and 2 x 10‐

10 mol) between CT12 and CT 15 induced dose‐dependent phase shifts. 2 x 10‐14 mol HA 

induced phase delays of ‐0.89 ± 0.31 hours (n = 4) while 2 x 10‐10 mol HA revealed phase 

delays of ‐2.26 ± 0.42 hours (n = 5). In comparison with saline injections, 2 x 10‐14 mol HA 

showed  no  significant  difference  while  significant  differences  were  detected  when 

applying 2 x 10‐10 mol HA (Dunn’s post hoc test, p < 0.01, Fig. 3.20). 

No significant differences in the circadian period (τ) length of the locomotor activity 

were found at all CTs tested when comparing the period before and after saline and HA 

injections  (Mann‐Whitney U‐test,  p  >  0.05;  Table  3.2). With  the  periodogram  analysis 

(Chi‐Square),  the period  length before  the  saline  injections  (n  =39) was  23.53  ±  0.068 

hours  and 23.44 h ± 0.074 hours  after  injections.  For HA  injections,  the period  length 

before injections (n =59) was 23.52 ± 0.034 hours and after injections was 23.50 ± 0.038 

hours. 

Page 89: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

69  

  

Fig.  3.18:  Running‐wheel  recordings  of  the  circadian  locomotor  activity  of  the  cockroach Rhyparobia maderae show phase delays and phase advances after the injection of (2 x 10‐12 mol). (A, B) HA given at CT 13.45 (arrow) induced a phase delay (‐Δφ in hours) of‐2.44 as resulted from the regression analysis through activity onsets. (C, D) HA given at CT 18.53  (arrow)  induced a phase advance  (+Δφ  in hours) of 2.67 as resulted from the regression analysis through the activity onsets. Animals were kept  in constant darkness condition. No significant differences  in the period  length  (τ) were observed before and after the HA injection (Mann‐Whitney U‐test, p > 0.05). The horizontal axis is the time of the day, in hours; the vertical axis is the consecutive days. 

 

Table 3.1: Effects of histamine (2 x 10‐12 mol) and saline (control experiments)  injections through the compound eye on the phase of the circadian locomotor activity of the cockroach R. maderae. 

              Stimulus CT (hours) 

HA  Saline Δφ (mean ± SE)  n  Δφ (mean ± SE)  n 

00:00 ‐ 03:00         0.53 ± 0.27  5  ‐0.29 ± 0.28  4 03:00 ‐ 06:00        ‐0.48 ± 0.41  5  ‐0.11 ± 0.47  4 06:00 ‐ 09:00        ‐1.02 ± 0.30  6  0.02 ± 0.36  6 09:00 ‐ 12:00  ‐2.58 ± 0.32*  7  0.35 ± 0.44  6 12:00 ‐ 15:00  ‐2.47 ± 0.33*   10  ‐0.27 ± 0.30  6 15:00 ‐ 18:00        ‐0.75 ± 0.48            10  0.29 ± 0.41  5 18:00 ‐ 21:00  2.16 ± 0.34*  9  ‐0.12 ± 0.27  4 21:00 ‐ 24:00         0.52 ± 0.19  7  ‐0.31 ± 0.29  4 

* Significant differences (Dunn’s post hoc test, p < 0.05) between HA‐ and saline induced phase‐shifts 

1

5

10

15

25

20

1

5

10

15

25

20

1

5

10

15

25

20

24 24246 12 18 18126

A B

Δφ = ‐2.44 hCT

24 24246 12 18 18126

τ after = 23.75

τ before = 23.68

24 24246 12 18 18126

C D

Δφ = 2.67 hCT

τ after = 23.37

τ before = 23.4

24 24246 12 18 18126

1

5

10

15

25

20

Page 90: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

70  

-4

-3

-2

-1

0

Pha

se s

hifts

(circ

adia

n ho

urs)

Saline

Histamine (mol)

**

  

Fig. 3.19: Phase response curve (PRC) of histamine (HA) injections compared with saline injections for  the  locomotor activity  rhythm of  the Madeira cockroach.  (A) HA  injection  (2 x 10‐12 mol) through the compound eye caused a biphasic PRC with delays (‐Δφ) at the beginning of the subjective night and advances (+Δφ) at late subjective night. PRCs were obtained by plotting  those  shifts  (Δφ  in  circadian hours) against  the  circadian  time of  the  injections. Black  line  is HA PRC. The curve  is the results of 3 hours average of  individual data points from different animals, which are plotted  in  the middle of each 3‐hours bin  (open circle, mean  ±  SE)  and presented  as b‐spline  curves. Grey dotted  line  is  the  saline PRC.  Saline injections  at different CTs  induced non‐significant phase  shifts.  The HA  injection  caused significant  phase  delays,  compared  to  the  saline  injections  as  control,  (Dunn’s  post  hoc test; p < 0.05; asterisk: significant) at CT 10.5 (‐2.58 ± 0.32), CT 13.5 (‐2.47 ± 0.33), and CT 19.5  (2.16  ±  0.34).  (B)  Scatter  plot  of  phase  shifts  after  the HA  injections with B‐spline curve.  

Fig.  3.20:  Injection  of HA  between  CT  12  and  CT  15 induced  dose‐dependent  phase  delays. Data represent the mean phase shift (mean ±  SE)  resulted  from  the  injections of  saline as control (n = 6), 2 x 10‐10 mol HA (n = 5), 2 x 10‐12 mol HA (n = 10), and 2 x 10‐14 mol HA (n  =  4).  Significant  differences  were detected  between  saline  injection  and  2  x 10‐10 mol  HA  as  well  as  2  x  10‐12 mol  HA (asterisk: significant; Dunn’s post hoc test; p < 0.01). 

 

Table 3.2: The period length (τ) of the locomotor activity of the cockroach R. maderae before (τ before) and after (τ after) histamine (HA) and saline injections.   

  τ before (hours) 

(mean ± SE) 

τ after (hours) 

(mean ± SE) 

HA   23.52 ± 0.034  23.50 ± 0.038 

Saline  23.53 ± 0.068  23.44 h ± 0.074 

   

0 3 6 9 12 15 18 21 24-6

-4

-2

0

2

4A

Pha

se s

hift

(CT

hour

s)

Circadian Time

**

*

0 3 6 9 12 15 18 21 24-6

-4

-2

0

2

4B

Pha

se s

hift

(CT

hour

s)

Circadian Time

Page 91: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

71  

3.4. Simultaneous electrophysiological analysis of circadian rhythms of the circadian pacemaker center, of the electroretinogram, and of leg muscle activity in the cockroach Rhyparobia maderae To obtain information about neuronal connectivity and mechanisms underlying circadian 

rhythms  in  cockroach,  a  method  using  extracellular  long‐term  recordings  at  three 

locations in situ was established. Stainless steel microelectrodes were inserted into AME, 

compound  eye,  and  leg muscles  to  search  for  synchronization  between  AME  outputs 

(electrical activity of AME = EAA) to the eye (electroretinogram = ERG) and to leg muscles 

(electromyogram,  EMG).  Two  sets  of  exploratory  experiments  under  LD  and  DD 

conditions  have  been  performed  to  assay  the  relationships  between  the  three 

simultaneous signals  (i.e. EEA, ERG, and EMG), and  to  improve  the effectiveness of  the 

established  method.  The  first  set  of  experiments  was  performed  with  about  7 

cockroaches1. The second set of experiments was performed with 8 animals2. Length of 

the recording was not uniform and can be changed from one animal to another; ranging 

from 2 to 10 days depending on the animal´s survival and the purpose of the experiment. 

During  this  study, many  changes have been undertaken  to  improve  the quality of  the 

measurements  and  to  reduce  the  recording  artifacts.  The  records  presented  here  are 

examples of different experiments. 

3.4.1.  Electrical activity of AME (EAA) recorded with the EAA­electrode 

The  position  of  the  EAA‐electrode  in  the  optic  lobe was  examined  directly  after  the 

recording  (see: Material  and Method,  section  2.7)  and  before  the  analysis  (Fig.  3.21). 

Most of the EAA‐recordings showed no regular activity. Some extracellular recordings (n 

= 2) from the AME showed a regular activity. An example of this regular activity of EAA‐

recordings is shown in Figure 3.22, with an inter‐burst interval of about 250 s. Moreover 

it can be seen that between two bursts, there were two instantaneous frequency bands, 

indicative  of  two  synchronized  AME  neuron  populations  which  fired  at  the  same 

frequency but different phase. During the burst they merged into one band, indicative of 

burst‐dependent  phase‐synchronization  (delta  phi  =  0)  (Fig.  3.22B).  To  analyze  the 

                                                            1 The experiments and analysis were carried together with Ildefonso Atienza López as a part of his diploma practical work. 

(López, 2014)   2 The experiments and analysis were carried together with Michael‐Marcel Heim during his bachelor practical work (Heim, 

2014). 

Page 92: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

72  

distribution of  the electrical activity of  the AME over 24 hours,  the EAA  signals of 30‐

minutes  bins  were  investigated. The  maximum  activities  were  recorded  during  the 

subjective night (Fig. 3.23).  

 

Fig 3.21: Position of the stainless steel microelectrode next to the AME. (A) Histological section of the left lobe stained by DAPI. The black arrow shows the electrode placement. White arrow shows the estimated area of the AME tissue. In this example, the recording site is about 50 µm away from the left AME. (B) Iron deposits “Prussian blue” visualized and magnified by a transmitted light microscope. Current through a stainless steel microelectrode was given to produce  Iron  deposits  in  the  recording  site  and  followed  by  potassium  ferrocyanide reaction after the brain  isolation to produce Prussian blue reaction. (C) Schematic view of the optic lobe showing its anatomical structure in relation to A.  

 

lateral

ventral

AME

200 µm

Prussian blue

A

CB

Page 93: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

73  

 

Fig. 3.22: Extracellular electrical recordings of the AME (EEA‐recordings) can show regular activity. (A)  An  example  of  EEA‐recordings  for  about  7200  s with  regular  bursts  of  spikes.  (B) Instantaneous  frequency plot shows  that  two synchronized populations of neurons with the  same  AP  frequency  and  stable  phase  difference  (two  parallel  bands)  synchronized their phase during the bursts (two bands merged into one band).  

 

Fig. 3.23: Distribution of the AME electrical activities over 24 circadian hours. This plot shows the average activity distributions (30‐minutes bins) of all recorded days from a cockroach. The maximum activities are  recorded during  the subjective night. Three peaks of activity can be identified. The first peak is at the beginning of the subjective night (CT 12‐13). The next is  in  the middle of  the  subjective night  (CT 18.5  ‐19.5). The  last one  is a  short half‐hour peak occurs in the last third of the subjective night of CT 21.5‐22. 

3.4.2. Electroretinogram (ERG) 

The  electroretinogram  (ERG  =  extracellular  recording  of  photoreceptor  neurons) 

amplitude  levels varied during the subjective day and night  in response to a short  light 

pulse  (e.g.  LP  =  10 ms,  generated  every  30 min).  The  amplitude  of  ERG  during  the 

subjective night was higher than the amplitude of ERG during the subjective day. These 

EAA (m

V)

‐0.10

‐0.05

0.00

0.05

0.01

0.15

Time (sec)

0

2

1

3

4

5

Instantane

ous Freq

uency

(Hz)

A

B

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 50004000 4500 5500 6000 6500 7000

0

100

200

300

400

500

600

700

800

06 12 18 24 06

No of events/ 30 minutes

Circadian time (hours)

Page 94: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

74  

changes were observed under both, LD and DD conditions. Thus, the ERGs offered a good 

indicator to measure the internal circadian clock of the tested animals. Many factors (e.g. 

LP duration, electrode position, and light intensity) were tested to identify the ERG wave 

patterns  and  to  observe  the  changes  during  the  day  and  the  night  time.  Figure  3.24 

shows  an  example  of  rhythmic  ERG  obtained  under  LD  12:12  conditions  and  another 

example  under  DD  conditions.  Further  analysis  for  the  ERG  amplitude  values  was 

performed with chi‐square periodogram to calculate the period length and the circadian 

time. Only  animals with  clear  ERG  and  sustained  for  a  long period  could be  analyzed, 

these animals showed period length closed to 24 hours. 

  

 

 

Fig.  3.24:  Circadian  rhythms  of  the  electroretinograms  (ERGs)  amplitude  level  changes  can  be measured under LD and maintained under DD conditions. (A) Circadian ERG rhythm was obtained  at  12:12  LD  conditions  (LP  =  100 ms/30 min  for  2  days).  (B)  Circadian  ERG rhythm was obtained at DD conditions (LP = 10 ms/30 min for 3 days). It is clear that the amplitude  level  is  increases  throughout  the  subjective  night  and  decreases  during  the subjective day. Light phases are indicated in white bars, while dark phases are indicated in black bars. 

 

06 09 12 15 18 21 24 06 09 12 15 18 21 24 03 0603

0.01 mV

Time (hours

06 09 12 15 18 21 24 06 09 12 15 18 21 24 03 0603 09 12 15 18 21 24 0603

0.02 mV

Time (hours)

A

B

Page 95: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

75  

3.4.3. Electromyogram (EMG)  

Electrical  recordings  of  tibia  muscles  (EMG)  were  used  to  measure the 

cockroach locomotor activity rhythms. Recorded waveform of EMGs over several days in 

LD  and  DD  conditions  were  converted  to  movement  events  to  assay  the  animal 

locomotor activity  in a quantitative way. When  locomotor activities were  synchronized 

with  the  ERGs  signal,  the  ERG  amplitudes  peaked  during  the  subjective  night  in 

correlation with  a  high  locomotor  activity. Unfortunately, most  of  the  analyzed  EMGs 

signals showed no  rhythmic changes by using chi‐square periodogram. On  the  first day 

after  the  preparation,  the  animals  showed  high  levels  of movements.  An  example  of 

animal locomotor activity is presented in Figure 3.25.  

 

Fig. 3.25: Representative results for the cockroach locomotor activity and electroretinogram (ERG) for 3 consecutive days.  (A) The  locomotor activity of a cockroach under 12:12 LD cycles. (B) Circadian rhythm of ERG amplitudes  levels, compared to the  locomotor activity of the same animal on graph A. (C) The  locomotor activity for a different cockroach maintained under  DD  conditions.  (D)  Circadian  rhythm  of  ERG  amplitudes  levels,  compared  to  the locomotor activity of the same animal on graph C. The locomotor activities on the first day after  the  preparation  showed  a  high  number  of  movements  (=events).  Events  were measured in 1‐minute bins. ERGs amplitudes were evoked as a response to a light pulse of 10  ms  generated  every  30  minutes.  The  ERGs  amplitudes  were  normalized  to  the maximum recorded value (Max. = 100 %). Light periods are  indicated  in white bars, while dark periods are indicated in black bars.  

25

50

75

100

24 12 24 12 24 12 24

Norm. ERG

 amplitu

de (%

)

Time (hours)

0

100

200

300

400

500

No. of Events /m

in

ZT

0

100

200

300

400

500

24 12 24 12 24 12 24

No. Of events /m

in

CT

25

50

75

100

Norm.  ER

G amplitu

de (%

)

Time (hours)

24 24 24 2412 12 12 24 24 24 2412 12 12

A

B

C

D

Page 96: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results  

76  

3.4.4. Microinjections and correlation analysis 

Using the microinjection system, saline and PDF solutions were injected directly into the 

hemolymph through the compound eye of only one animal (Fig. 3.26). The application of 

saline as control showed no effect on  the EAA, since no changes were observed  in  the 

original  recording,  the mean  frequency,  and  the  instantaneous  frequency  (Fig.  3.26A). 

Application  of  PDF may  show  changes  in  the  neuronal  activity  of  the AME,  the mean 

frequency, and the instantaneous frequency directly after the application (Fig. 3.26B). 

 

Fig.  3.26:  Microinjections  of  saline  and  neuropeptide  PDF  in  an  example  cockroach.  (A) Microinjection  of  saline  solution  (0.1  µl)  as  a  control  has  no  effect  on  the  EAA.  No changes  were  observed  in  the  original  recording,  the  mean  frequency,  and  the instantaneous frequency (Inst. Frequency). (B) Microinjection of PDF (0.1 µl of 0.2 mmol) shows  changes  in  the  neuronal  activity  phase  of  AME,  the mean  frequency,  and  the instantaneous frequency directly after application. The injected solutions were delivered directly to the hemolymph via a glass micropipette inserted into the compound eye. The injections  were  performed  around  CT  6  on  the  sixth  day  after  the  starting  of  the recordings.  Mean  frequency  and  instantaneous  frequency  were  calculated  with  a threshold of ‐0.23 mV (grey line in the original recording) 

 

Finally,  recorded  EAA  and  EMG  for  seven  consecutive  days  from  an  animal were 

compared to find the relationships between the two datasets. 30 minutes bins of EAAs 

and EMGs were used  for  such comparisons. Only on  the  first day,  there was no higher 

correlation  (Spearman’s  correlation  coefficient = 0.16), possibly due  to  the  continuous 

movement  of  the  animal. From  the  second  day  onward,  values  of  the  correlation 

coefficients between the two datasets were increased significantly (Fig. 3.27).  

 

EAA (m

V)Inst. Frequ

ency (H

z)

A B

Mean  Frequ

ency (H

z)

EAA (m

V)Inst. Frequ

ency (H

z)Mean  Frequ

ency (H

z)

Saline injection PDF injection

10 sec 10 sec

Page 97: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 3. Results

77  

  Fig. 3.27: The average activity distributions of electrical activity of AME (EAA) and electromyogram 

(EMG)  for  seven  consecutive  days  recorded  from  a  cockroach  maintained  in  DD conditions. The recoded EAA and EMG data are averaged in 30 min intervals. The values of the Spearman’s correlation coefficients (CC) between the two datasets were presented on the right side for each day. The locomotor activities on the first day after the preparation show a high number of movement events, which make the correlation difficult to detect. Starting from the second recording day, high correlations can be detected. Changes in the correlation  ratios  cannot  be  determined  after  the  injection  of  0.2  mmol  PDF  at  the beginning of the sixth recording day (black arrow). 

0

1 5 0

3 0 0

4 5 0

6 0 0

7 5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

02 0 04 0 06 0 08 0 0

1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

05 0 0

1 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0

02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0

05 0 0

1 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0

01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0

02 0 04 0 06 0 08 0 0

1 0 0 01 2 0 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

02 0 04 0 06 0 08 0 0

1 0 0 01 2 0 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

06 12 18 24 06

No of EAA  events/ 30 minutes

Circadian time (hours)

No of EMG events/ 30 minutes

Day 1

Day 2

Day 3

Day 4

Day 5

Day 6

Day 7

EMGEAACC = 0.16   

CC = 0.73

CC = 0.69

CC = 0.71

CC = 0.82

CC = 0.75

CC = 0.76

Page 98: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

78  

 

   

Page 99: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

79  

 

4. Discussion 

4.1. Possible roles of neurotransmitters in the circadian system of the Madeira cockroach 

In this thesis the neurotransmitter and neuropeptide  inputs to the circadian pacemaker 

center of the Madeira cockroach, the accessory medulla (AME) in the brain’s optic lobes, 

were  characterized.  To  determine whether  the  neurotransmitters  acetylcholine  (ACh), 

histamine  (HA),  γ‐aminobutyric  acid  (GABA),  glutamate  (Glu),  serotonin  (5‐HT),  and 

octopamine  (OA),  as  well  as  the  neuropeptide  pigment‐dispersing  factor  (PDF)  relay 

inputs to the Madeira cockroach circadian clock system, Ca2+‐imaging experiments with 

dissociated AME neurons were performed to measure the neurotransmitter‐dependent 

changes  in the  intracellular Ca2+  levels. Application of ACh  increased baseline Ca2+  levels 

in  the majority  of  the  tested  pacemaker  neurons. Application  of GABA,  5‐HT,  and OA 

either decreased or  increased  intracellular calcium concentrations  in  the AME neurons. 

HA  and  Glu  appeared  to  decrease  the  intracellular  calcium  concentrations  in  AME 

neurons.  These results  suggest  that  the  cockroach  circadian  activity  is modulated  by 

several different inputs, including ACh, HA, GABA, 5‐HT, Glu, and OA. 

 

4.1.1. Acetylcholine (ACh) is a key player in circadian clocks in many circuits 

Using Ca2+  imaging experiments, ACh  increased the  intracellular calcium  in the majority 

of the circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach (~95% of cells tested, Fig. 

3.1). Thus, it can be assumed that ACh appears to play a very prominent role in different 

circuits of  the AME  (Baz et al., 2013).  Since preliminary anti‐PER‐immunocytochemistry 

stained  the majority, or even possibly  all AME neurons of  the Madeira  cockroach  and 

since circadian clock gene expression cycles  in the AME (Werckenthin et al., 2012),  it  is 

likely that the majority of AME neurons are circadian pacemaker cells. However, whether 

only subgroups of the AME neurons are independent endogenous circadian clocks cannot 

be  resolved with  existing  data,  since  specific  antibodies  against  other  circadian  clock 

Page 100: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

80  

proteins were not obtained yet and since recording from isolated AME neurons over the 

course of several days was not performed yet. 

It was found that the AME neurons were responsive to ACh via  ionotropic nicotinic 

receptors  (Fig.  3.2).  Since  the  ACh‐induced  increases  in  the  intercellular  Ca2+  were 

completely blocked  in the presence of the nicotinic ACh‐receptors  (nAChRs) antagonist, 

mecamylamine,  but  not  the  muscarinic  ACh‐receptors  (mAChRs)  antagonist, 

scopolamine;  this  suggested  that  the  ACh  signaling  is  mediated  via  nAChRs.  Further 

support  for  presence  of  nAChRs was  that  the  nAChRs  agonist,  nicotine, mimicked  the 

response to ACh.  In contrast, none of the tested cells responded to the mAChR agonist 

pilocarpine. However,  it  cannot  be  excluded  that mAChRs may  also  be  present  in  the 

AME pacemaker neurons. Furthermore, the ACh‐dependent depolarizations appeared to 

open  voltage‐dependent  Ca2+  channels  (Fig.3.3)  since mibefradil, which  blocks  voltage 

dependent  low‐voltage‐activated  (LVA)  and  to  a  lesser  extent  high‐voltage‐activated 

(HVA)‐type Ca2+ channels  (Wei and Stengl, 2012), decreased  the ACh  responses  (Baz et 

al., 2013).  

In  the  cockroach  Rhyparobia maderae,  acetylcholinesterase  (AChE,  the  degrading 

enzyme of ACh) staining was detected  in all optic  lobe neuropils. While the  lamina was 

more weakly labeled, strong staining was observed in seven layers of the medulla, in the 

lobula  and  also  in  the  glomeruli of  the AME  (Schendzielorz, 2013). However, no AChE 

activity  was  detected  in  the  GABA‐immunoreactive  distal  tract  (Schendzielorz,  2013), 

which was suggested to transmit ipsilateral light information to the glomeruli of the AME 

(Reischig and Stengl, 1996, Loesel and Homberg, 2001, Petri et al., 2002). Thus, ACh can 

be possibly released via medulla tangential cells connecting the medulla and possibly also 

the proximal  lamina to the glomeruli of the AME, as candidates  for a  light entrainment 

pathway.  Since ACh‐injections  produced  a monophasic  all‐delay  phase  response  curve 

(PRC)  similar  to  that  the delays of  the  light PRC, ACh  can play  a  role  in  relaying  light‐

dependent phase delays  to  the clock at dusk  (Schendzielorz, 2013). Combined with  the 

behavioral  data,  ACh  is  most  likely  not  responsible  for  the  excitatory  photic  inputs 

recorded  in  the  AME  neurons  (Loesel  and  Homberg,  2001), which  apparently  phase‐

Page 101: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

81  

advance  the  clock  at  dawn,  but  possibly  it    can  modulate  the  excitatory  photic 

information reaching the AME. 

In the cockroach Periplaneta americana, the ACh content and the activity of its AChE 

also  showed  inverse  circadian  rhythms,  indicating  that  also  in  insects  ACh  is  released 

from circadian pacemaker neurons (Cymborowski et al., 1970, Vijayalakshmi et al., 1977, 

Subramanyam  et  al.,  1981).  In  Drosophila,  ACh  appears  to  be  involved  in  photic 

entrainment of  circadian  clock  cells,  since ACh  released  from  the  larval photoreceptor 

organ  (Bolwig's  organ)  increased  the  activity  of  the  light‐sensitive  large  pigment‐

dispersing factor‐immunoreactive ventrolateral pacemaker neurons (l‐LNvs) (Wegener et 

al., 2004, Helfrich‐Förster et al., 2007, McCarthy et al., 2011). Also, a subset of the lateral 

neurons contains choline acetyltransferase,  the key enzyme  in  the biosynthesis of ACh, 

indicating that they may be cholinergic (Yasuyama et al., 1995, Johard et al., 2009).  

"Several  studies  have  provided  strong  evidence  for  ACh  as  a  key  player  in  the 

circadian pacemaker center both  in mammals and  in  insects (Vijayalakshmi et al., 1977, 

Lewandowski,  1983, Wegener  et  al.,  2004,  Johard  et  al.,  2009, Hut  and  Van  der  Zee, 

2011, Keene et al., 2011, McCarthy et al., 2011, Lelito and Shafer, 2012).  In mammals, 

circadian  fluctuation  in the cholinergic system such as ACh content, cholinergic enzyme 

activity,  cholinergic  receptor,  and  vesicular  acetylcholine  transporter  were  reported, 

indicating that ACh releasing as well as perceiving cells are circadian clock neurons (Hanin 

et  al.,  1970,  Schiebeler  and  von Mayersbach,  1974,  Nordberg  and Wahlström,  1980, 

Mash  et  al.,  1985, Morley  and  Garner,  1990).  Indeed,  immunocytochemistry  located 

enzymes  characteristic  of  cholinergic  neurons  in  ‘‘simple  bipolar’’  cells  in  the 

suprachiasmatic  nucleus  (SCN), which  are  suggested  to  transfer  light  information  (Hut 

and Van der Zee, 2011). While in the SCN, postsynaptic cells contained only few nAChRs 

(van der Zee et al., 1991) apparently all SCN neurons were  immunopositive  for mAChR 

(van der Zee and Luiten, 1999, Van der Zee et al., 2004, Yang et al., 2010). Accordingly, in 

vitro,  the majority of SCN  cells were  inhibited by mAChR agonists, whereas only  some 

SCN cells were excited or non‐responsive (Yang et al., 2010).  In contrast,  in vivo studies 

reported mostly excitatory effects of ACh  and nicotine  in  the  SCN  (Miller et  al., 1987, 

Nashmi and Lester, 2006). Thus, ACh does play a very prominent role in the SCN not only 

in the light entrainment pathway, but apparently also in other circuits which might differ 

Page 102: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

82  

depending on different Zeitgeber times or different behavioral or physiological contexts 

(Golombek and Rosenstein, 2010, Gritton et al., 2013).  In contrast  to mammalian clock 

neurons  in  the  fruit  fly, as  in  the  cockroach, ACh activated mostly nAChRs,  thus being 

excitatory  (Wegener  et  al.,  2004,  Lelito  and  Shafer,  2012).  Since  ACh  has  such wide‐

spread  functions  in  apparently  all  circuits  of  the mammalian  and  the  insect  circadian 

pacemaker  system  this neurotransmitter  is well  suited  to control  the general  response 

range of circadian pacemaker neurons (Baz et al., 2013)."  

 

4.1.2. Histamine (HA) is involved in entrainment pathways to the circadian pacemaker neurons via cimetidine­sensitive receptors 

HA is an important neurotransmitter in the nervous systems of a wide range of organisms 

(Schwartz et al., 1991,  Fleck et al., 2012). HA  is  involved  in  the  regulation of different 

functions  in  the  insect  brain,  such  as  biological  rhythms,  thermoregulation,  energy 

metabolism,  feeding  rhythms, and  learning and memory  (Nässel et al., 1988, Pirvola et 

al., 1988, Homberg and Hildebrand, 1991, Pollack and Hofbauer, 1991, Nässel and Elekes, 

1992, Buchner  et  al.,  1993, Bornhauser  and Meyer,  1997,  Loesel  and Homberg,  1999, 

Monastirioti,  1999,  Ignell,  2001, Hong  et  al.,  2006, Huang  et  al.,  2011).  In  addition  to 

these HA  function  in  higher  order  brain  centers, HA  is  the  neurotransmitter  of  insect 

photoreceptors  (Hardie,  1987,  1988,  1989,  Buchner  et  al.,  1993,  Stuart,  1999). 

Photoreceptors  in  or  close  to  the  compound  eye  of  insects  are  essential  for  photic 

entrainment  (Roberts, 1965, Nishiitsutsuji‐Uwo and Pittendrigh, 1968b, Roberts, 1974). 

HA was  found to mimic the physiological response to  light  in many  insect species (Elias 

and Evans, 1983, Hardie, 1987, 1988). 

Using Ca2+ imaging experiments, HA appeared to inhibit a subset of the AME neurons 

via chloride gated channel receptors (Figs. 3.5 and 3.6) (Baz et al., 2013). HA injections in 

running wheel‐assays  revealed a biphasic PRC which  resembled a  light‐dependent PRC 

with  phase  delays  in  the  circadian  locomotor  activity  rhythm  at  the  late  subjective 

day/beginning of  the  subjective night  and phase  advances  at  the  late  subjective night 

(Fig. 3.18). These results highlight the possibility that HA is well‐involved/mediated in the 

entrainment pathways of the Madeira cockroach. Previous HA Immunostaining studies in 

Page 103: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

83  

the Madeira cockroach brain revealed that the photoreceptor cells of the compound eye 

innervate  in  the  lamina  and  the  medulla  of  the  optic  lobe,  but  no  direct  inputs  of 

photoreceptors to the cockroach circadian clock were known. Therefore, it was assumed 

that the entrainment signals reach the AME indirectly (Loesel and Homberg, 1999). There 

is only one  known  centrifugal HA‐immunoreactive  (HA‐ir) neuron with  arborizations  in 

the AME that connects the AME to the medulla and to higher‐order central brain regions 

(such as  the anterior optic  tubercle,  the  inferior  lateral protocerebrum, and  the  lateral 

horn of the lateral protocerebrum) (Loesel and Homberg, 1999). Thus, it is likely that this 

neuron  receives  its  input  from  the  anterior  optic  tubercle  or  the  medulla  and 

receives/relates information from other modalities (and possibly also from the behavioral 

state  in higher order  integration centers  in the protocerebrum).  It can be hypothesized 

that  the  HA‐ir  neuron  integrates  multimodal  inputs  before  it  phase‐shifts  the  AME 

neurons.  This  assumption  is  in  agreement with  the  function  of HA  in  the mammalian 

circadian  system.  "In  the  mammalian  clock,  HA  appears  to  be  involved  in  circadian 

entrainment  (Stephan et al., 1981, Moore, 1983, Tuomisto, 1991). Previous behavioral 

studies showed that HA release in rats is under circadian control with maximum release 

during  the dark period  (Mochizuki et al., 1992).  Jacobs et al.  (2000)  suggested  that HA 

receptors  are  the  final  gate  at  which  both  photic  and  non‐photic  entrainment 

mechanisms  converge  before  sending  a  resetting  signal  to  the  intracellular  biological 

clock of mammals  (Jacobs et al., 2000). Furthermore, HA  is a  clock  input  signal, which 

shifts the circadian activity phase dependently (Itowi et al., 1991, Stehle, 1991)." 

"In the SCN, HA‐dependent activation  is mediated via histamine H1 receptors while 

inhibitory  effects  were  H2  receptor‐dependent  (Yuh  Liou  et  al.,  1983,  Stehle,  1991). 

Furthermore,  in  vivo  studies  suggested  that HA  is  a  neuromodulator  of  glutamatergic 

transmission via its effects on the NMDA receptor (Eaton et al., 1995, Eaton et al., 1996). 

In the insect optic lobes, HA serves as the neurotransmitter of photoreceptors by directly 

activating a picrotoxin‐sensitive chloride channel  in the postsynaptic cells (Hardie, 1987, 

1988,  1989,  Stuart  et  al.,  2007).”  In  contrast,  the  HA‐dependent‐decrease  in  the 

intercellular  Ca2+  concentrations  of  the  AME  neurons  is mediated  via  the  cimetidine‐

sensitive  receptors  chloride  gated  channel  (Fig.  3.6)  (Baz  et  al.,  2013).  In  Drosophila, 

cimetidine  (antagonists of vertebrates H2 receptors) can effectively block the histamine 

Page 104: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

84  

receptors (Gisselmann  et  al.,  2002,  Hong  et  al.,  2006).  Two  histamine‐gated  chloride 

channels  (HisCl1  and  HisCl2)  have  been  identified  at  D. melanogaster  photoreceptor 

synapse   (Gengs et al., 2002, Gisselmann et al., 2002, Zheng et al., 2002, Roeder, 2003, 

Pantazis et al., 2008).  Immunostaining experiments showed that one of these receptors 

(HisCl1) expressed in l‐LNv neurons (Hong et al., 2006), suggesting that PDF neurons can 

receive  histaminergic  signals.  It  was  reported  that  histamine  HisCl1  receptor  and  its 

signaling  is  important  for  regulation  of  the  sleep/wake  and  temperature 

preferences (Hong et al., 2006, Oh et al., 2013). Drosophila mutants with a deficiency  in 

histamine  synthesis display no histamine  immunoreactivity  in  the photoreceptors;  and 

being blind and they have defects in the electroretinogram phenotype (Burg et al., 1993, 

Melzig et al., 1996). Apparently histamine‐gated chloride channel receptor also  is  in the 

AME neurons of the Madeira cockroach  (Fig. 3.6). This  finding suggests that HA  indeed 

target the AME neurons and acts on intracellular calcium via a HA‐receptor. Possibly, HA 

and  its receptors  in the AME clock neurons  is required also for the temperature choices 

and  sleep/wake  regulation  as  suggested  for  Drosophila  (Hong  et  al.,  2006,  Oh  et  al., 

2013). Further experiments are required to test these hypotheses.   

 

4.1.3. Other neurotransmitters involved in different functional circuits of the circadian clock 

Other neurotransmitters that affected the  isolated neurons of the circadian clock  in the 

Madeira cockroach were GABA, Glu, 5‐HT, and OA. The results suggest that the circadian 

clock  system  receives  both  inhibitory  and  excitatory  GABAergic  inputs,  serotonergic 

inputs,  as  well  as  octopaminergic  inputs,  because  these  three  neurotransmitters  can 

either decrease or  increase  the  intracellular  calcium  concentration  in AME neurons.  In 

contrast,  in preliminary experiments,  it was  found that Glu relays only  inhibitory  inputs 

into  the  clock  since  it  always  decreased  the  intracellular  calcium  levels  in  the  AME 

neurons tested. 

Functional role of GABA in the circadian clocks

GABA was  reported  to be  an  important neurotransmitter  in  the  circadian  clock of  the 

Madeira  cockroach.  Immunostaining  experiments  described  many  different  GABA‐ir 

Page 105: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

85  

neuronal systems which  innervated the AME. Next to GABA‐ir  local  interneurons of the 

AME, GABA‐ir median neurons as well as the prominent GABAergic distal tract connects 

the AME to the lamina and the ipsilateral medulla as possible light entrainment pathways 

(Reischig and Stengl, 1996, Loesel and Homberg, 2001, Petri et al., 2002, Schendzielorz 

and  Stengl,  2014).  Consistent  with  the  hypothesis  that  GABA  is  involved  in  light 

entrainment pathways,  injections of GABA  revealed biphasic  light‐like PRCs with phase 

delays at the late subjective day/early subjective night and phase advances at the middle 

of  the  subjective night  (Petri et al., 2002). Thus,  it can be assumed  that  there are  two 

different neuronal circuits in the AME, called morning (M) or evening (E) oscillator circuits 

which either are phase advanced at dawn (M‐cells) or delayed by light at dusk (E‐cells) to 

couple  the  clock  to  changing photoperiods  (Helfrich‐Förster, 2009, Yoshii et al., 2012). 

Possibly, GABA‐ergic  interneurons of the AME play a role  in the formation of these two 

M‐ and E‐oscillator circuits. This assumption  is supported by extracellular  recordings of 

the AME which  showed  that GABA  forms  synchronized  assemblies of  regularly  spiking 

AME  neurons  (Schneider  and  Stengl,  2005).  Moreover,  with  enzyme‐linked 

immunosorbent assay (ELISA), it was found that cAMP levels of AME and optic lobe tissue 

under  light‐dark  (LD)  and  constant  conditions  produce  a  peak  at  dusk  and  a  peak  at 

dawn, reminiscent of E‐ and M‐oscillator circuits (Schendzielorz, 2013).  

The data presented here suggest the presence of both,  ionotropic GABAA receptors 

and  metabotropic  GABAB  receptors  in  the  circadian  clock  neurons  of  the  Madeira 

cockroach  (Fig.  3.8  and  3.9). However,  future  studies  are  required  to  further 

characterize,  in details, the receptors that mediated the GABA‐dependent effects  in the 

AME neurons. GABA and  its  receptors are expressed  in circadian neurons of mammals 

and Drosophila  (Hill, 1985, Knipper and Breer, 1988, Mezler et al., 2001, Moore et al., 

2002, Wang et al., 2003, Hamasaka et al., 2005, Kahsai et al., 2012, Gmeiner et al., 2013). 

They have been characterized to play an important role in maintaining sleep in mammals 

and  Drosophila  (Parisky  et  al.,  2008,  Chung  et  al.,  2009,  Gmeiner  et  al.,  2013).  In 

Drosophila  circadian  clock neurons, GABA  acts  as  a  slow  inhibitory  transmitter  via  the 

metabotropic GABAB receptors but not by the ionotropic GABAA receptors (Hamasaka et 

al., 2005). In the SCN, in addition to GABA inhibitory Ca2+ transients, GABA was shown to 

also act as an excitatory transmitter (Albus et al., 2005, Choi et al., 2008, Farajnia et al., 

Page 106: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

86  

2014).  Similar  excitatory  and  inhibitory  results  were  also  obtained  in  the  Madeira 

cockroach  circadian  neurons  (Fig.  3.7).  In mammals,  it  is  suggested  that  the  balance 

between  GABAergic  excitation  and  inhibition  in  the  SCN  network  can  be modulated 

according to the photoperiods (Farajnia et al., 2014). Maybe, GABA and  its receptors  in 

the  circadian  system  are  sensitive  to  changes  in  photoperiods,  especially  when  it  is 

assumed  that  GABA  is  involved  in  the  light  input  pathway.  Future  experiments  are 

needed under different photoperiods to test this hypothesis. As noted above, AME and 

optic  lobe tissue of the Madeira cockroach showed daily changes  in cAMP  levels with a 

peak at dusk and a peak at dawn  (Schendzielorz, 2013).  It  is still unknown whether the 

metabotropic  GABAB  receptors  on  AME  neurons  of  the  Madeira  cockroach  are 

responsible  for  daytime‐dependent  rhythms  in  cyclic  nucleotide  levels.  Future 

experiments are required to test theses hypotheses.   

 

Possible role of serotonin on the circadian clocks

5‐HT  is  known  to be  an  important neurotransmitter  in  the  circadian  system of  insects 

(Page, 1987, Nässel et al., 1991, Petri et al., 1995, Wurden and Homberg, 1995, Pyza and 

Meinertzhagen, 1996, Cymborowski, 1998, Helfrich‐Förster et al., 1998, Tomioka, 1999, 

Saifullah and Tomioka, 2002, Yuan et al., 2005, Nall and Sehgal, 2014) and mammals (Rea 

et al., 1994, Bobrzynska et al., 1996, Sanggaard et al., 2003, Horikawa and Shibata, 2004, 

Smith et al., 2015). In Madeira cockroach, running wheel experiments accompanied with 

5‐HT  injections  suggested  that  it  induces  only  phase  delays  at  dusk  (Page,  1987). 

Immunohistochemical  labeling  with  anti‐serotonin  antibodies  revealed  that  5‐HT  is 

concentrated in the coarse neuropil and appears to omit the glomeruli (Petri et al., 1995). 

Here,  application  of  5‐HT  were  observed  to  increase  and  decrease  the  intracellular 

calcium  levels  in  the  AME  neurons  (Fig.  3.12).  However,  the  function  of  5‐HTand  its 

possible role  in the entrainment and the coupling of the circadian pacemakers  is  largely 

unknown.  In crickets,  it was  suggested  that 5‐HT  is  involved  in  the photic entrainment 

pathway  and  involved  in  the  coupling mechanism between  the optic  lobe pacemakers 

(Tomioka, 1999, Saifullah and Tomioka, 2002, Tomioka, 2014). In blowflies, a modulatory 

effect of 5‐HT on the  light response of the circadian system was reported, suggesting a 

possible role for 5‐HT as mediator of the circadian rhythms  in the  insect’s visual system 

Page 107: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

87  

(Nässel  et  al.,  1991,  Cymborowski,  1998).  Also  in  blowflies,  injection  of  5‐HT  caused 

phase shift and reduced the locomotor activity level (Cymborowski, 2003). In Drosophila, 

molecular connections between serotonin 5‐HT1B receptor signaling and the central clock 

component  TIM  were  identified  (Yuan  et  al.,  2005).  Moreover,  three  of  the  seven 

mammalian receptor families (5‐HT1A/B Dro, 5‐HT2 Dro, and 5‐HT7 Dro) were characterized 

in the brain of Drosophila (Nichols and Nichols, 2008, Becnel et al., 2011). In Drosophila 

circadian  clock  neurons,  5‐HT  acts  as  an  inhibitory  transmitter  since  it  decreased  the 

intracellular Ca2+ level and caused inhibition of the spontaneous oscillations in Ca2+ levels 

(Hamasaka and Nässel, 2006). In mammals, circadian variations in the extracellular 5‐HT 

and  its  receptors  were  detected  (Dudley  et  al.,  1998,  Meng  et  al.,  2015). It  was 

documented that 5‐HT input is one of the projections between the midbrain raphe nuclei 

and the SCN, in which 5‐HT provides both photic and non‐photic signals (Hay‐Schmidt et 

al., 2003, Paulus and Mintz, 2013, Smith et al., 2015). Recently,  it was shown that 5‐HT 

signaling  in  rodents  is  regulating  some  of  the  circadian  properties  through  the  5‐HT1A 

receptor since the deletion of such receptor decreased the running‐wheel activity  in LD 

and constant light conditions (Smith et al., 2015, Westrich et al., 2015). Beside its general 

role in the circadian system, 5‐HT is implicated in the regulation of different physiological 

functions  in CNS,  such as aggression/impulse  control,  sleep  control,  cognitive  function, 

food regulation, motor activity, pain, reproduction, and sensory functions (Murphy et al., 

1998, Westrich et al., 2015). 

 

Possible role of glutamate and octopamine on the circadian clocks

Several studies indicated that Glu can act on the circadian clock system (Hamasaka et al., 

2007,  Raghu  and  Borst,  2011, Duffield  et  al.,  2012,  Ehnert  et  al.,  2012,  Kahsai  et  al., 

2012). Circadian variations in the extracellular Glu levels were detected in rats (Meng et 

al., 2015). The role of Glu in the Madeira cockroach circadian system is still unknown, as 

it  is not defined yet which neurons of the AME express Glu. Glu may be  involved  in the 

adaptation to changing photoperiods, since  it might mediate processes of plasticity and 

learning (Giurfa and Menzel, 2013). In Drosophila, application of Glu induced a decrease 

in  the  intracellular  calcium  in  the  circadian  pacemaker  cells  (Hamasaka  et  al.,  2007). 

Furthermore,  Glu‐induced  responses  is  mediated  metabotropic  glutamate  receptors 

Page 108: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

88  

(Hamasaka et al., 2007). This is in accordance to the results of preliminary experiments of 

this study, which showed that the application of Glu decreased the  intracellular calcium 

levels  in about 10 % of the cells tested  in a dose‐dependent manner (Fig. 3.10).   Future 

immunocytochemical and functional studies are needed to examine the function of Glu 

in the circadian pacemaker of the Madeira cockroach. Finally, OA seems to play a role in 

the Madeira cockroach circadian clock since OA application  induced both excitatory and 

inhibitory  responses  in  AME  neurons  (Fig  3.11).  It  is  reported  that  OA,  beside  other 

neurotransmitters like GABA and 5‐HT, affects Drosophila sleep (Yuan et al., 2006, Agosto 

et al., 2008, Crocker et al., 2010). Moreover,  the effect of OA on  the sleep/wake cycle 

was mediated by cAMP‐dependent pathways  (Crocker et al., 2010). Further studies are 

required  to  investigate  the  possible  mechanisms  underlying  the  changes  in  the 

intracellular calcium of the cultured AME pacemaker neurons  in response  to Glu, 5‐HT, 

and OA; and also to characterize the receptors on which theses neurotransmitters act.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 109: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

89  

4.2. Pigment­dispersing factor (PDF)­dependent calcium­ and cAMP –signaling pathways in circadian pacemaker neurons of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae 

Next  to  neurotransmitters,  many  neuropeptides  are  employed  in  the  information 

processing  in  the  network  of  the  circadian  clock  (Nässel,  1991,  Reghunandanan  and 

Reghunandanan,  2006,  Taghert  and  Nitabach,  2012,  Helfrich‐Förster,  2014).  Several 

extensive  studies  performed  on  the  circadian  network  systems  of  insects  have  shown 

that the PDF  is the most  important circadian coupling signal, a circadian  input signal to 

the  clock,  and  forms  an  important  clock  output  since  it  controls  circadian  locomotor 

activity rhythms (Helfrich‐Förster et al., 2000, Homberg et al., 2003), comparably to the 

peptide vasoactive  intestinal polypeptide (VIP)  in the mammalian circadian clock (Vosko 

et al., 2007, Taghert and Nitabach, 2012, Helfrich‐Förster, 2014). Previous extracellular 

recordings  from  the  isolated  AME  suggested  that  PDF  can  synchronize,  activate,  or 

inactivate  the  pacemaker  neurons  of  the  Madeira  cockroach  (Schneider  and  Stengl, 

2005). Previous behavioral experiments  suggested  that PDF  injections  at dusk  induced 

phase delays while at dawn induced narrow phase advances in the locomotor activity of 

the Madeira cockroach (Petri and Stengl, 1997, Schendzielorz et al., 2014). Interestingly, 

the PDF‐dependent PRC  is a quit  similar  in  shape and amplitude as  the VIP‐dependent 

PRC  (An  et  al.,  2011).  In  Madeira  cockroach,  the  same  biphasic,  light‐like  PRC  was 

obtained when  cAMP was  injected, with  delays  at  dusk  and  advances  at  dawn.  This 

suggested  that  maybe  PDF  signals  via  cAMP  and  is  possibly  involved  in  photic 

entrainment (Schendzielorz et al., 2014). In the mammalian circadian clock, daily changes 

in cAMP were reported with maxima around dusk and dawn (Prosser and Gillette, 1989, 

Prosser  and  Gillette,  1991, Witte  and  Lemmer,  1991,  Ferreyra  and  Golombek,  2000). 

Also, AME and optic lobe tissue of the Madeira cockroach showed daily changes in cAMP 

concentrations  peaked  at  dusk  and  dawn  (Schendzielorz,  2013).  Thus,  PDF  as  most 

prominent coupling  signal may be  released at dusk and dawn  to  recruit an E oscillator 

circuit  at  dusk  and  an M‐oscillator  circuit  at  dawn which  respond  differently  to  light 

(Schendzielorz  et  al.,  2014). However,  it  is  poorly  understood  how  PDF  signals  in  the 

Madeira cockroach circadian clock. Here, the signaling mechanisms of PDF were further 

Page 110: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

90  

investigated  by  using  Ca2+  imaging  and  Förster  resonance  energy  transfer  (FRET) 

experiments (cAMP‐imaging) on cultured AME neurons of the Madeira cockroach. 

 With standard calcium imaging methods used in this study, the AME neurons can be 

classified  into  five  response  types  (Fig. 3.13),  according  to  their  calcium  concentration 

changes in the primary culture and their responses to the neuropeptide PDF (Wei et al., 

2014).  The  most  distinctive  two  types  of  AME  pacemaker  neurons  either  expressed 

spontaneous  calcium  transients  (type  1;  Fig.  3.13A)  or  were  silent  neurons  without 

calcium transients (type 2; Fig. 3.13B). Other cells had relatively few or irregular calcium 

transients  with  interval  variations  between  transients  (types  3  and  4;  Fig.  3.13C,D). 

Application of PDF increased the frequency of Ca2+ transients in type 1 and baseline Ca2+ 

levels (Wei et al., 2014). The same results were obtained from two imaging setups, which 

indicate that the spontaneous activity and PDF‐dependent responses were not due to the 

imaging procedure (i.e. the responses are not setup‐dependent). PDF‐elicited oscillations 

of  types  1  and  3  AME  cells  are  similar  to  those  observed  previously  in  extracellular 

recordings  (Schneider and Stengl, 2005, Wei et al., 2014). Wei et al.    (2014)  found that 

there were  two different PDF‐response groups among  type 1  cells. They assumed  that 

type  1  AME  neurons  are  candidates  for  regularly  bursting  bright‐  and  dark‐rhythm 

neurons: "Type 1 cells are  reminiscent of  two  types of  regularly bursting AME neurons 

identified previously in intracellular recordings which occurred at a similar low frequency 

as type 1 cells (Loesel and Homberg, 1998). Illumination of the ipsilateral compound eye 

activated  one  type  (bright‐rhythm  cell)  and  inhibited  the  other  (dark‐rhythm  cell) 

independent  of  light  intensity.  Both  types  generated  regular  membrane  potential 

oscillations  causing  regular  bursts  of  action  potentials  of  around  40  Hz.  They  never 

responded to the motion or the polarized light. These AME pacemakers had ramifications 

in the ipsilateral AME and medulla and projected to the contralateral optic lobes, sending 

processes  to  the  ventral  protocerebrum  (Loesel  and  Homberg,  1998).  It  can  be 

hypothesized that these regularly bursting bright‐ and dark‐rhythm neurons correspond 

to  the  two  groups  of  regularly  bursting  type  1  pacemakers which were  synchronized 

differentially  by  PDF,  thereby maintaining  stable  phase‐differences.  These  bright‐  and 

dark‐rhythm neurons are ideally suited to allow for adaptation to different photoperiods 

via  differential  synchronization  with  PDF‐sensitive  pacemaker  neurons  controlling 

Page 111: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

91  

locomotor activity either at the beginning (evening cells = E oscillators) or the end of the 

night (morning cells = M oscillators) (Helfrich‐Förster, 2014)" (Wei et al., 2014).  

Interestingly,  application  of  PDF  converted  silent  neurons  into  active  ones  (Fig. 

3.13E, Fig. A.4). Possibly the switching from non‐active state to active state is important 

for permitting a more effective synchronization and coupling between  the AME cells  in 

vivo via changes of the pacemakers´ electrical activity through the membrane excitability. 

This  is  in  consistent with  PDF  functions  in  the Madeira  cockroach, which  assumed  to 

inhibit,  activate,  and  synchronize  action  potential  rhythms  of  circadian  pacemaker 

neurons  (Schneider  and  Stengl,  2005).  In  Drosophila,  Focal  PDF  application  has  been 

found  to  induce  depolarization  and  increase  action  potential  firing  rates  which  are 

directly  correlated  with  an  increase  in  intracellular  calcium  levels  in  DN1P  neurons 

(Seluzicki et al., 2014). The transition from a silent neuron to a spontaneously active state 

is  important  to  control  some  specific  animal  behaviors  and  to maintain  homeostasis 

(Kaczmarek  and  Levitan,  1987, Cohen  and Miles,  2000,  Kononenko  and Dudek,  2004). 

Furthermore, electrical changes of pacemaker cell membrane potentials are crucial clock 

components (Nitabach et al., 2002, Wu et al., 2008, Choi et al., 2009, Depetris‐Chauvin et 

al., 2011, Choi et al., 2012, Mizrak et al., 2012, Ruben et al., 2012, Brancaccio et al., 2013, 

Wei et al., 2014).  

PDF signals via adenylyl cyclase­dependent and ­independent pathways 

Pharmacological  studies  with  calcium  imaging  suggested  that  PDF  changed  the  Ca2+ 

baseline and the frequency of oscillating Ca2+ transients via the cAMP elevations only  in 

type 1 but not  in  type 2 AME neurons  (Wei et al., 2014). This could be confirmed with 

preliminary FRET experiments, which showed  that PDF signals via AC activation only  in 

type 1 but not in type 2 pacemaker cells. PDF‐dependent Ca2+ and cAMP responses were 

long‐lasting  response. Possibly  the  long  lasting  response  is  required  for  the  long‐range 

mechanisms, such as the  long‐term changes  in gene expression (Li et al., 2014, Seluzicki 

et  al.,  2014).  Long‐lasting  PDF  and  VIP  responses  were  reported  in  Drosophila  and 

mammals  circadian  pacemakers,  respectively  (Gurantz  et  al.,  1994,  Kononenko  and 

Dudek, 2004, Shafer et al., 2008, Kudo et al., 2013). However, it is unknown whether the 

Page 112: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

92  

long‐lasting PDF responses play a role  in the temporal  integration of multimodal  inputs 

(Wei et al., 2014).   

In this study, FRET employed the differently fluorescence‐labeled subunits of cAMP‐

dependent protein kinase A (PKA) to monitor the cAMP changes in the AME neurons. The 

used FRET–based cAMP biosensor was synthesised by Kai Stieger, modifying established 

methods  (Stieger,  2011)  based  on  the  work  of  Adams  et  al.  (1991).  After  the 

development of  the  first cAMP reporter  (named: FlCRhR), based on dissociation PKA  in 

the early 1990s  (Adams et  al., 1991),  it was widely used  to monitor  cAMP  changes  in 

several studies including invertebrates neurons (Bacskai et al., 1993, Hempel et al., 1996) 

and mammalian neurons  (Liu  et  al.,  1999, Vincent  and Brusciano,  2001, Goaillard  and 

Vincent,  2002,  Gorbunova  and  Spitzer,  2002).  However,  it  is  reported  that  these 

chemically labeled PKA‐FRET sensors may change the real cAMP kinetics and have a lot of 

difficulties during the microinjection, especially with different cells sizes (Schwartz, 2001, 

Rich  and  Karpen,  2002, Nikolaev  and  Lohse,  2006, Willoughby  and  Cooper,  2007).  An 

alternative approach was established using some genetically encoded  indicators, based 

on the activation of PKA and exchange protein activated by cAMP (Epac) (Zaccolo et al., 

2000, DiPilato et al., 2004, Ponsioen et al., 2004, Lissandron et al., 2005, Zaccolo et al., 

2005).  Here,  despite  some  difficulties,  the modified  PKA‐dependent  FRET  sensor was 

shown  to be adequate  to  report cAMP changes  in a  limited number of  the dissociated 

AME neurons. In Drosophila, a genetically encoded cAMP FRET sensor, Epac1‐camps, was 

used to determine the possible effects of PDF on the cAMP concentration in the circadian 

pacemaker  neurons  (Shafer  et  al.,  2008,  Duvall  and  Taghert,  2013).  Unfortunately, 

genetically encoded techniques are not possible so far for the Madeira cockroach. Future 

experiments  will  employ  also  other  FRET  sensors  to  further  characterize  the  cAMP 

signaling  in  circadian  pacemaker  neurons  in  response  to  different  neuropeptides  and 

neurotransmitters. 

The  findings  presented  here  regarding  the  AC‐dependent  PDF‐signaling  in  the 

Madeira cockroach  (Fig. 3.16) are consistent with PDF signaling  in  the  fruitfly and with 

VIP signaling via AC/cAMP‐dependent pathways in the circadian pacemakers of mammals 

(Gurantz et al., 1994, Vosko et al., 2007, Atkinson et al., 2011, Shafer and Yao, 2014, Wei 

Page 113: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

93  

et  al.,  2014).  Accordingly,  the  PDF  receptor  (PDFR)  of  Drosophila  looks  likes  the  VIP 

receptor  (VPAC2), since  they are secretin‐like G protein‐coupled  receptors  (GPCRs)  that 

activate AC which  leads  to  increases  in  intracellular cAMP  (Nielsen et al., 2002, Meyer‐

Spasche  and  Piggins,  2004, Hyun  et  al.,  2005,  Lear  et  al.,  2005, Mertens  et  al.,  2005, 

Dickson and Finlayson, 2009, An et al., 2011, Wei et al., 2014). cAMP‐dependent signaling 

is a crucial component in the mammalian and Drosophila circadian clock (Gerhold et al., 

2005, Hao et al., 2006, O'Neill et al., 2008, An et al., 2011, Taghert and Nitabach, 2012, 

Helfrich‐Förster,  2014).  In  the  Madeira  cockroach  PDF  signals  via  adenylyl  cyclase‐

dependent  and  ‐independent  pathways.  In  SCN,  VIP  activates  both  cAMP/PKA  and 

phospholipase  Cβ  (PLCβ)  pathways    to  convey  phase  information  (An  et  al.,  2011).  In 

Drosophila pacemaker neurons, PDFR  signals  through  the Gα‐subunit  and activates AC 

resulting  in  increasing  the  cAMP  concentrations  that  activates  protein  kinase  A  PKA 

(DeHaven and Cuevas, 2004,  Shafer et al., 2008, Duvall and Taghert, 2012, Duvall and 

Taghert,  2013).  Furthermore,  In  Drosophila,  the  coupling  of  the  PDFR  to  different  G 

protein, Gq , activates the inositoltriphosphate (IP3)/Ca2+ signaling in flight control circuits 

of  Drosophila  (Agrawal  et  al.,  2013).  On  the  basis  of  the  above  findings,  it  can  be 

proposed  that  in  the Madeira cockroach PDFR acts via Gαs/AC  to  increase  intracellular 

cAMP and Ca2+ level in type 1 AME neurons, while it acts via Gq/PLCβ pathway to induce 

Ca2+  release  from  intracellular  store  in  type  2  AME  neurons,  as  was  also  suggested 

previously (Wei et al., 2014). The possibility of cross talk between both pathways cannot 

be excluded.   The possible PdfR signaling pathways  in AME neurons are summarized  in 

Figure 4.1. Further evidence for cAMP‐dependent calcium rises in the AME neurons were 

obtained by using dual imaging of Ca2+ and cAMP. Unfortunately application of PDF was 

not possible due  to some  technical  reasons and difficulties  in  the microinjection of  the 

PDF‐responsive  neurons.  Instead  it  was  able  to  determine  that  the  activation  of  AC 

increased both cAMP and Ca2+ baseline  levels  in  the AME neurons  (Fig A.2). The cAMP 

baseline  increased  immediately  after  application  of  the  AC  activator  forskolin.  These 

increases were also followed by rises of the Ca2+ baseline. This suggested that the calcium 

channels might be  regulated  through  cAMP/PKA pathways  since  activation of  adenylyl 

cyclase AC leads to increased cAMP, which binds to PKA regulatory unit, and then further 

signaling  cascades  will  regulate  the  influx  of  Ca2+ ions  through  the  calcium  channels, 

which  resulted  in  a marked  increase  in calcium  concentrations  (i.e.  Ca2+  increases  are 

Page 114: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

94  

mediated by a cAMP/PKA pathway). Future  imaging experiments of Ca2+ and cAMP are 

required to test the effect of PDF.   

 

Fig.  4.1:  Proposed mechanisms  of  PDF  signaling  pathways  in  the AME  neurons  of  the Madeira cockroach.  (A)  PDFR  signals  via  adenylyl  cyclase  (AC)‐dependent  pathway  in  type  1 pacemaker neurons.   PDFR acts via Gαs/AC  to  increase  intracellular cAMP and Ca2+  level. Activation of AC leads an increase in cAMP, which leads to an increase in intracellular Ca2+ 

concentration.  When cAMP levels rise, further signaling cascades will regulate the influx of Ca2+ ions  through  the  calcium  channels.  (B) PDFR  signals  via AC‐independent pathway  in type 2 pacemaker neurons. PDFR acts via Gq/ phospholipase Cβ (PLCβ) pathway to activates the inositoltriphosphate (IP3)/Ca

2+ signaling. The IP3 induces Ca2+ release from intracellular 

store, probably endoplasmic  reticulum.    IP3 binds  to  ion channel which opens and allows Ca2+ to move into the cytosol. 

.  

PDFR

ATP

cAMP

Regulatorysubunits

Inactivecatalyticsubunits

PKA

activecatalyticsubunits

cAMPcAMP

cAMPcAMP

PDF

Ca2+

Ca2+

P

P

Gs

Nucleus

Cytosol

Type 2 AME neuronType 1 AME neuron

PDF

PDFR

Gq

Cytosol

A B

??

?

Page 115: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

95  

4.3. Simultaneous electrophysiological analysis of circadian rhythms of the circadian pacemaker center, of the electroretinogram, and of leg muscle activity in the Madeira cockroach  

Although  the  activity  of  circadian  clock  neurons  has  been  well‐studied 

electrophysiologically  (Loesel  and  Homberg,  2001,  Schneider  and  Stengl,  2005,  2006, 

2007), the relationship between the AME electrical activity (EEA) and behavioral activity 

(i.e. the effect of the behavior on the AME and how the circadian network controls the 

behavioral  rhythms)  is  still  not well‐understood.  Consequently,  extracellular  long‐term 

recordings  for  several  days  of  intact  cockroaches  were  established  to  search  for 

synchronization between AME outputs  to  the eye  (electroretinogram, ERG)  and  to  leg 

muscles  (electromyogram,  EMG)  in  light‐dark  cycles  and/or  constant  conditions  (In: 

Heim,  2014,  López,  2014).  Recordings  of  EMG  signals  were  used  to  measure the 

cockroach locomotor  activity,  which  is  controlled  by  the  AME  (Helfrich‐Förster  et  al., 

1998, Homberg et al., 2003).   Recording of ERG has  shown  to be of great value,  since 

changes  in  the  visual  sensitivity  indicate  the  endogenous  circadian  time of  the  animal 

(Wills et al., 1985, Colwell and Page, 1989, Chang and Lee, 2001, Baz et al., 2009). In the 

Madeira  cockroach,  the AME  controls  both  ERG  amplitude  and  the  locomotor  activity 

rhythms  (Page,  1982, Wills  et  al.,  1985,  Page,  1990,  2001).  It  is  known  that  the  ERG 

amplitude  levels  for  nocturnal  animals  are  high  during  the  subjective  night  and  low 

during the subjective days (Colwell and Page, 1989, Pyza and Meinertzhagen, 1997, Baz 

et al., 2009). The shape of the ERG in response to short light pulse shares some similarity 

to  those  for other  insects, consisting of a peak or  trough  region which  returned  to  the 

baseline  (Yinon, 1970, Wills et al., 1985, Colwell and Page, 1989, Leboulle et al., 2013). 

The  ERG  shape  or  kinetics  can  be  also  modified  in  response  to  the  background 

illumination  and  the  electrode  position  (Colwell  and  Page,  1989). Decreasing  the  light 

pulse  duration  from  100  ms  to  10  ms  was  shown  to  provide  better  ERGs‐waves 

facilitating the measurements of their amplitude changes during the subjective day and 

subjective night and. Comparing the obtained ERG wave data with those obtained from 

Colwell  and Page  (1989),  for  the  same  cockroach  species,  show  some  similarity  in  the 

waveform  since  both  contain  an  on‐transient  and  a  sustained  component. Moreover, 

light‐dependent  changes  in  the electrical  activity were not only observed  in  the  visual 

Page 116: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion  

96  

sensitivity  via  ERG  recordings,  but  also  observed  in  the  AME  electrical  activity.  Such 

results prove that the AME received the given photic inputs which spread over from cell 

to  cell.  This  is  in  consistence with  the  intracellular  recording data, which  showed  that 

some of  the AME neurons  responded  to  the  light  stimuli  (Loesel and Homberg, 2001). 

Using the technique described here, the characterizations of the electrical activity of the 

intact AME were similar  to  those obtained by glass microelectrodes  from  isolated AME 

tissue  as  described  by  Schneider  and  Stengl  (2005).  They  also  described  irregular  and 

regular patterns of the electrical activity of the isolated AME.   

Suitability of the recording methods 

The  techniques  described  here  have  some  prominent  advantages  and  disadvantages, 

which will be discussed below with giving some notes to improve the recording methods. 

Here,  first  attempts were made  to obtain  simultaneous extracellular  recordings of  the 

neuronal activity of the AME (EEA), visual sensitivity (ERG), and locomotor activity (EMG) 

in the cockroach R. maderae  in situ with stainless‐steel wire electrodes. While  it can be 

confirmed that the EEA electrode was positioned next to the AME, by the Prussian blue 

reaction  (Tsuruoka  et  al.,  2003),  it  should  be  noted  that  the  extracellular  electrodes 

receive  the neuronal activity  from many  cells  located  in  the area of  the  recording  site 

(Segev et al., 2004). Staining of  the  recording site can be used  in  further  researches  to 

find  out  the  relationships  between  the  electrode  placement  and  the  EEA  electrical 

activity patterns. Previously,  all of  the  electrophysiological  recordings were performed 

with  a  glass  electrode  (Loesel  and Homberg,  2001,  Schneider  and  Stengl,  2005,  2006, 

2007). The combination of the use of both glass and stainless‐steel electrodes is possible 

in further studies since the glass electrodes can be used to monitor the electrical activity 

of  the  AME  in  extracellular  as  well  as  intracellular  recordings.  Dye‐filled  glass 

microelectrode may be used to mark the recording sites (Loesel and Homberg, 2001, Park 

and Griffith, 2006). Also using bundle of four electrodes (tetrode) can be used  in future 

experiments (Bender et al., 2010, Zill, 2010). Insertion of tetrodes can be used to monitor 

different regions in the brain that supervise walking behavior (Strausfeld, 1999, Bender et 

al., 2010). For comparison, locomotor activities were recorded as EMGs and with a video 

recording  system  to  discriminate  between  different  movement  types.  During  an 

Page 117: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Chapter 4. Discussion

97  

experiment,  it was only possible  to get data  from one animal since  the setup was only 

equipped with three amplifiers for recording from three locations. Several animal holders 

and multi ‐amplifiers and ‐filter units can be constructed in order to record from different 

animals side by side to accelerate data acquisition. The animal holder used seems to be 

reasonable  to  fix  the  animal with minimum  stress.  Throughout  the  experiments,  the 

cockroach was initially fixed to different animal holders, in which its body was positioned 

vertically between two half shells. Moreover, some animals were placed horizontally into 

plastic  Petri  dish  as  a  holder,  in which  a  hole was  drilled  to  keep  the  head  capsule 

outside.  Some  animals  showed  arrhythmic  ERG  amplitudes  and  arrhythmic  locomotor 

activity. Possible reasons are that the optic  lobe might be damaged during the  insertion 

of the electrode into the AME area and/or that the ERG electrode was not in the correct 

position.  Some  other  animals  showed  clear  rhythmic  ERGs,  but  arrhythmic  locomotor 

activity, probably because these animals have no rhythmic  locomotor activity as shown 

for  some  animals  in  running‐wheels  assays  (personal  observation).  The  developed 

method  used  in  this  study  provides  means  to  monitor  the  circadian  rhythm  of  the 

locomotor  activity  in  an  insect  species  by  analyzing  the  EMGs  in  comparison  to  AME 

activity  and  visual  sensitivity.  In  view  of  the  above,  further  improvements  in  the 

recording setup are necessary to be established in further applications.

Current methods  can  be  used  as  a  suitable  examination  system  for  checking  the 

effects  of  different  neurotransmitters  and  neuropeptides  on  the  circadian  system  and 

behavior, by applying drugs directly  into  the hemolymph  through  the  compound eyes.  

On the basis of the method described above, The AME neuronal activities and locomotor 

activities via EMGs can be easily monitored and compared over 24‐hours, by monitoring 

the endogenous circadian time via changes  in the ERG amplitudes during the subjective 

day and night. In this study, only a few successful  injections were performed e.g. saline, 

ACh,  and  PDF  applications.  Here,  the  goal  of  this  study  was  primarily  to  establish  a 

recording system that will provide a starting point for a series of further experiments to 

investigate  how  chemical  stimuli  modulates  the  circadian  rhythm  of  the  locomotor 

behavior.   

 

Page 118: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

98  

References 

Adams  SR, Harootunian AT, Buechler YJ, Taylor  SS, Tsien RY  (1991)  Fluorescence  ratio  imaging of cyclic AMP in single cells. Nature 349:694‐697. 

Agosto J, Choi JC, Parisky KM, Stilwell G, Rosbash M, Griffith LC (2008) Modulation of GABAA receptor desensitization uncouples sleep onset and maintenance in Drosophila. Nat Neurosci 11:354‐359. 

Agrawal T, Sadaf S, Hasan G (2013) A Genetic RNAi Screen for IP3/Ca2+ Coupled GPCRs in Drosophila 

Identifies the PdfR as a Regulator of Insect Flight. PLoS Genet 9:e1003849. 

Albus H, Vansteensel MJ, Michel S, Block GD, Meijer JH (2005) A GABAergic mechanism is necessary for  coupling  dissociable  ventral  and  dorsal  regional  oscillators within  the  circadian  clock. Curr Biol 15:886‐893. 

Allada R, White NE, So WV, Hall JC, Rosbash M (1998) A mutant Drosophila homolog of mammalian Clock disrupts circadian rhythms and transcription of period and timeless. Cell 93:791‐804. 

An S, Irwin RP, Allen CN, Tsai C, Herzog ED (2011) Vasoactive intestinal polypeptide requires parallel changes  in  adenylate  cyclase  and  phospholipase  C  to  entrain  circadian  rhythms  to  a predictable phase. J Neurophysiol 105:2289‐2296. 

Atkinson SE, Maywood ES, Chesham JE, Wozny C, Colwell CS, Hastings MH, Williams SR (2011) Cyclic AMP signaling control of action potential firing rate and molecular circadian pacemaking  in the suprachiasmatic nucleus. J Biol Rhythms 26:210‐220. 

Aton  SJ,  Colwell  CS,  Harmar  AJ, Waschek  J,  Herzog  ED  (2005)  Vasoactive  intestinal  polypeptide mediates  circadian  rhythmicity  and  synchrony  in mammalian  clock neurons. Nat Neurosci 8:476‐483. 

Baz E‐S, Sallam AE‐D, El‐Naggar MH (2009) Development of a method for monitoring the locomotor and visual circadian rhythms in a free‐moving scorpion. Egy J Nat Toxins 6:16‐31. 

Baz E‐S, Wei H, Grosshans J, Stengl M (2013) Calcium responses of circadian pacemaker neurons of the  cockroach  Rhyparobia  maderae  to  acetylcholine  and  histamine.  J  Comp  Physiol  A 199:365‐374. 

Becnel  J,  Johnson  O,  Luo  J,  Nässel  DR,  Nichols  CD  (2011)  The  serotonin  5‐HT7Dro  receptor  is expressed in the brain of Drosophila, and is essential for normal courtship and mating. PLoS ONE 6:e20800. 

Bender JA, Pollack AJ, Ritzmann RE (2010) Neural Activity in the Central Complex of the Insect Brain Is Linked to Locomotor Changes. Curr Biol 20:921‐926. 

Blau J, Young MW (1999) Cycling vrille Expression Is Required for a Functional Drosophila Clock. Cell 99:661‐671. 

Page 119: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

99  

Bobrzynska  KJ, Godfrey MH, Mrosovsky N  (1996)  Serotonergic  stimulation  and  nonphotic  phase‐shifting in hamsters. Physiol Behav 59:221‐230. 

Bornhauser BC, Meyer EP (1997) Histamine‐like  immunoreactivity  in the visual system and brain of an orthopteran and a hymenopteran insect. Cell Tissue Res 287:211‐221. 

Brancaccio M, Maywood ES, Chesham  JE,  Loudon AS, Hastings MH  (2013) A Gq‐Ca2+  axis  controls 

circuit‐level encoding of circadian time in the suprachiasmatic nucleus. Neuron 78:714‐728. 

Buchner  E,  Buchner  S,  Burg  MG,  Hofbauer  A,  Pak  WL,  Pollack  I  (1993)  Histamine  is  a  major mechanosensory  neurotransmitter  candidate  in  Drosophila melanogaster.  Cell  Tissue  Res 273:119‐125. 

Burg MG, Sarthy PV, Koliantz G, Pak WL (1993) Genetic and molecular identification of a Drosophila histidine  decarboxylase  gene  required  in  photoreceptor  transmitter  synthesis.  EMBO  J 12:911‐919. 

Chang HW, Lee HJ (2001) Inconsistency in the expression of locomotor and ERG circadian rhythms in the German cockroach, Blattella germanica (L.). Arch Insect Biochem Physiol 48:155‐166. 

Choi  C,  Cao  G,  Tanenhaus  AK, McCarthy  EV,  Jung M,  Schleyer W,  Shang  Y,  Rosbash M,  Yin  JC, Nitabach MN (2012) Autoreceptor control of peptide/neurotransmitter corelease from PDF neurons determines allocation of circadian activity in Drosophila. Cell Rep 2:332‐344. 

Choi  C,  Fortin  JP, McCarthy  E,  Oksman  L,  Kopin  AS,  Nitabach MN  (2009)  Cellular  dissection  of circadian  peptide  signals with  genetically  encoded membrane‐tethered  ligands.  Curr  Biol 19:1167‐1175. 

Choi HJ, Lee CJ, Schroeder A, Kim YS, Jung SH, Kim JS, Kim do Y, Son EJ, Han HC, Hong SK, Colwell CS, Kim YI (2008) Excitatory actions of GABA in the suprachiasmatic nucleus. J Neurosci 28:5450‐5459. 

Chung  BY,  Kilman  VL,  Keath  JR,  Pitman  JL,  Allada  R  (2009)  The  GABAA  Receptor  RDL  Acts  in Peptidergic PDF Neurons to Promote Sleep in Drosophila. Curr Biol 19:386‐390. 

Cohen  I,  Miles  R  (2000)  Contributions  of  intrinsic  and  synaptic  activities  to  the  generation  of neuronal discharges in in vitro hippocampus. J Physiol 524 Pt 2:485‐502. 

Collins B, Kane  EA, Reeves DC, Akabas MH, Blau  J  (2012) Balance of  activity between  LN(v)s  and glutamatergic  dorsal  clock  neurons  promotes  robust  circadian  rhythms  in  Drosophila. Neuron 74:706‐718. 

Colwell CS, Michel S, Itri J, Rodriguez W, Tam J, Lelievre V, Hu Z, Liu X, Waschek JA (2003) Disrupted circadian  rhythms  in VIP‐  and PHI‐deficient mice. Am  J Physiol Regul  Integr Comp Physiol 285:R939‐949. 

Colwell  CS,  Page  TL  (1989)  The  electroretinogram  of  the  cockroach  Leucophaea maderae.  Comp Biochem Physiol A Comp Physiol 92:117‐123. 

Crocker A, Shahidullah M, Levitan IB, Sehgal A (2010) Identification of a neural circuit that underlies the effects of octopamine on sleep:wake behavior. Neuron 65:670‐681. 

Page 120: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

100  

Cymborowski B (1998) Serotonin modulates a photic response in circadian locomotor rhythmicity of adults of the blow fly, Calliphora vicina. Physiol Entomol 23:25‐32. 

Cymborowski B (2003) Effects of 5,7‐dihydroxytriptamine (5,7‐DHT) on circadian  locomotor activity of the blow fly, Calliphora vicina. J Insect Sci 3:14. 

Cymborowski B, Skangiel‐Kramska  J, Dutkowski A  (1970) Circadian changes of acetylcholinesterase activity in the brain of house‐crickets (Acheta domesticus L.). Comp Biochem Physiol 32:367‐370. 

DeBernardi  MA,  Brooker  G  (1996)  Single  cell  Ca2+/cAMP  cross‐talk  monitored  by  simultaneous Ca2+/cAMP fluorescence ratio imaging. Proc Natl Acad Sci USA 93:4577‐4582. 

DeHaven WI, Cuevas J (2004) VPAC receptor modulation of neuroexcitability in intracardiac neurons: dependence  on  intracellular  calcium mobilization  and  synergistic  enhancement  by  PAC1 receptor activation. J Biol Chem 279:40609‐40621. 

Depetris‐Chauvin A, Berni J, Aranovich EJ, Muraro NI, Beckwith EJ, Ceriani MF (2011) Adult‐specific electrical silencing of pacemaker neurons uncouples molecular clock from circadian outputs. Curr Biol 21:1783‐1793. 

Dickson  L, Finlayson K  (2009) VPAC and PAC  receptors: From  ligands  to  function. Pharmacol Ther 121:294‐316. 

DiPilato  LM,  Cheng  X,  Zhang  J  (2004)  Fluorescent  indicators  of  cAMP  and  Epac  activation  reveal differential dynamics of cAMP signaling within discrete subcellular compartments. Proc Natl Acad Sci USA 101:16513‐16518. 

Dudley TE, DiNardo LA, Glass JD (1998) Endogenous regulation of serotonin release  in the hamster suprachiasmatic nucleus. J Neurosci 18:5045‐5052. 

Duffield GE, Mikkelsen JD, Ebling FJ (2012) Conserved expression of the glutamate NMDA receptor 1 subunit  splice  variants  during  the  development  of  the  Siberian  hamster  suprachiasmatic nucleus. PLoS ONE 7:e37496. 

Dunn TA, Storm DR, Feller MB  (2009) Calcium‐Dependent  Increases  in Protein Kinase‐A Activity  in Mouse  Retinal  Ganglion  Cells  Are  Mediated  by  Multiple  Adenylate  Cyclases.  PLoS  ONE 4:e7877. 

Duvall LB, Taghert PH (2012) The circadian neuropeptide PDF signals preferentially through a specific adenylate cyclase isoform AC3 in M pacemakers of Drosophila. PLoS Biol 10:e1001337. 

Duvall  LB,  Taghert PH  (2013)  E  and M Circadian Pacemaker Neurons Use Different PDF Receptor Signalosome Components in Drosophila. J Biol Rhythms 28:239‐248. 

Eaton SJ, Cote NK, Harrington ME (1995) Histamine synthesis inhibition reduces light‐induced phase shifts of circadian rhythms. Brain Res 695:227‐230. 

Eaton SJ, Eoh S, Meyer  J, Hoque S, Harrington ME  (1996) Circadian rhythm photic phase shifts are not altered by histamine receptor antagonists. Brain Res bull 41:227‐229. 

Page 121: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

101  

Ehnert  C,  Stevenson  PA,  Schildberger  K, Michel  S  (2012)  Role  of  glutamate  in  coupling  between bilaterally paired circadian clocks in Bulla gouldiana. Neuroscience 202:267‐275. 

Elias  MS,  Evans  PD  (1983)  Histamine  in  the  insect  nervous  system:  distribution,  synthesis  and metabolism. J Neurochem 41:562‐568. 

Emerson  KJ,  Bradshaw  WE,  Holzapfel  CM  (2009)  Complications  of  complexity:  integrating environmental, genetic and hormonal control of insect diapause. Trends Genet 25:217‐225. 

Eskin  A  (1979)  Identification  and  physiology  of  circadian  pacemakers.  Introduction.  Fed  Proc 38:2570‐2572. 

Farajnia S, van Westering TL, Meijer JH, Michel S (2014) Seasonal induction of GABAergic excitation in the central mammalian clock. Proc Natl Acad Sci USA 111:9627‐9632. 

Ferreyra GA, Golombek DA  (2000) Cyclic AMP and protein kinase A  rhythmicity  in  the mammalian suprachiasmatic nuclei. Brain Res 858:33‐39. 

Fleck MW,  Thomson  JL,  Hough  LB  (2012)  Histamine‐gated  ion  channels  in mammals?  Biochem Pharmacol 83:1127‐1135. 

Friesen WO, Fleissner G, Fleissner G (2001) Role of feedback loops in the scorpion circadian system. Neurocomputing 38–40:607‐614. 

Gaston S, Menaker M (1968) Pineal function: the biological clock in the sparrow? Science 160:1125‐1127. 

Gengs C, Leung HT, Skingsley DR, Iovchev MI, Yin Z, Semenov EP, Burg MG, Hardie RC, Pak WL (2002) The target of Drosophila photoreceptor synaptic transmission  is a histamine‐gated chloride channel encoded by ort (hclA). J Biol Chem 277:42113‐42120. 

Gerhold  LM, Rosewell KL, Wise PM  (2005) Suppression of vasoactive  intestinal polypeptide  in  the suprachiasmatic nucleus  leads  to aging‐like alterations  in  cAMP  rhythms and activation of gonadotropin‐releasing hormone neurons. J Neurosci 25:62‐67. 

Giebultowicz JM, Hege DM (1997) Circadian clock in Malpighian tubules. Nature 386:664‐664. 

Giese M  (2014) Funktionelle Analyse GABAerger Eingänge der circadianen akzessorischen Medulla Neuronen  der  Schabe  Rhyparobia  maderae.  (Diploma  thesis).  In:  Animal  physiology, Department of Biology Kassel: University of Kassel. 

Gisselmann G, Pusch H, Hovemann BT, Hatt H  (2002)  Two  cDNAs  coding  for histamine‐gated  ion channels in D. melanogaster. Nat Neurosci 5:11‐12. 

Giurfa M, Menzel R  (2013) Cognitive  components of  insect behavior  In:  Invertebrate  learning and memory    (Menzel,  R.  and  Benjamin,  P.,  eds),  pp  14‐25  Amsterdam,  London,  Heidelberg: Elsevier Associative Press. 

Gmeiner F, Kolodziejczyk A, Yoshii T, Rieger D, Nässel DR, Helfrich‐Förster C (2013) GABAB receptors play an essential role in maintaining sleep during the second half of the night  in Drosophila melanogaster. J Exp Biol 216:3837‐3843. 

Page 122: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

102  

Goaillard  J‐M, Vincent P, Fischmeister R  (2001) Simultaneous measurements of  intracellular cAMP and L‐type Ca2+ current in single frog ventricular myocytes. J physiol 530:79‐91. 

Goaillard  JM,  Vincent  P  (2002)  Serotonin  suppresses  the  slow  afterhyperpolarization  in  rat intralaminar  and  midline  thalamic  neurones  by  activating  5‐HT(7)  receptors.  J  Physiol 541:453‐465. 

Golombek DA, Rosenstein RE (2010) Physiology of circadian entrainment. Physiol Rev 90:1063‐1102. 

Gorbunova YV,  Spitzer NC  (2002) Dynamic  interactions of  cyclic AMP  transients and  spontaneous Ca2+ spikes. Nature 418:93‐96. 

Grima B, Chelot E, Xia RH, Rouyer F (2004) Morning and evening peaks of activity rely on different clock neurons of the Drosophila brain. Nature 431:869‐873. 

Gritton HJ,  Stasiak AM,  Sarter M,  Lee TM  (2013) Cognitive Performance as a Zeitgeber: Cognitive Oscillators  and  Cholinergic Modulation  of  the  SCN  Entrain  Circadian  Rhythms.  PLoS ONE 8:e56206. 

Grynkiewicz G, Poenie M, Tsien RY (1985) A new generation of Ca2+ indicators with greatly improved fluorescence properties. J Biol Chem 260:3440‐3450. 

Gurantz D, Harootunian A, Tsien R, Dionne V, Margiotta  J  (1994) VIP modulates neuronal nicotinic acetylcholine receptor function by a cyclic AMP‐dependent mechanism. J Neurosci 14:3540‐3547. 

Hamasaka  Y,  Nässel  DR  (2006)  Mapping  of  serotonin,  dopamine,  and  histamine  in  relation  to different clock neurons in the brain of Drosophila. J Comp Neurol 494:314‐330. 

Hamasaka Y, Rieger D, Parmentier M‐L, Grau Y, Helfrich‐Förster C, Nässel DR (2007) Glutamate and its metabotropic receptor in Drosophila clock neuron circuits. J Comp Neurol 505:32‐45. 

Hamasaka Y, Wegener C, Nässel DR (2005) GABA modulates Drosophila circadian clock neurons via GABAB receptors and decreases in calcium. J Neurobiol 65:225‐240. 

Hanin  I, Massarelli R, Costa E  (1970) Acetylcholine  concentrations  in  rat brain: diurnal oscillation. Science 170:341‐342. 

Hao H, Zak DE, Sauter T, Schwaber J, Ogunnaike BA (2006) Modeling the VPAC2‐activated cAMP/PKA signaling pathway: from receptor to circadian clock gene induction. Biophys J 90:1560‐1571. 

Harbeck MC, Chepurny O, Nikolaev VO, Lohse MJ, Holz GG, Roe MW  (2006) Simultaneous optical measurements of cytosolic Ca2+ and cAMP in single cells. Sci Signaling 2006:pl6. 

Hardie  RC  (1987)  Is  histamine  a  neurotransmitter  in  insect  photoreceptors?  J  Comp  Physiol  A 161:201‐213. 

Hardie RC (1988) Effects of antagonists on putative histamine receptors in the first visual neuropile of the housefly (Musca domestica). J Exp Biol 138:221‐241. 

Page 123: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

103  

Hardie  RC  (1989)  A  histamine‐activated  chloride  channel  involved  in  neurotransmission  at  a photoreceptor synapse. Nature 339:704‐706. 

Hardin PE (2005) The circadian timekeeping system of Drosophila. Curr Biol 15:R714‐722. 

Hardin  PE  (2011) Molecular  genetic  analysis  of  circadian  timekeeping  in  Drosophila.  Adv  Genet 74:141‐173. 

Harmar AJ, Marston HM, Shen S, Spratt C, West KM, Sheward WJ, Morrison CF, Dorin JR, Piggins HD, Reubi  JC,  Kelly  JS, Maywood  ES, Hastings MH  (2002)  The  VPAC2  receptor  is  essential  for circadian function in the mouse suprachiasmatic nuclei. Cell 109:497‐508. 

Hassaneen E, El‐Din Sallam A, Abo‐Ghalia A, Moriyama Y, Karpova SG, Abdelsalam S, Matsushima A, Shimohigashi  Y,  Tomioka  K  (2011)  Pigment‐dispersing  factor  affects  nocturnal  activity rhythms,  photic  entrainment,  and  the  free‐running  period  of  the  circadian  clock  in  the cricket gryllus bimaculatus. J Biol Rhythms 26:3‐13. 

Hay‐Schmidt A, Vrang N,  Larsen PJ, Mikkelsen  JD  (2003) Projections  from  the  raphe nuclei  to  the suprachiasmatic nucleus of the rat. J Chem Neuroanat 25:293‐310. 

Heim  M‐M  (2014)  Analyse  der  Wirkung  des  Neuropeptids  PDF  auf  das  circadiane Schrittmacherzentrum  der  Schabe  Rhyparobia  maderae,  untersucht  mit  extrazellulären Langzeitableitungen. (Bachelor thesis). In: Animal physiology, Department of Biology Kassel: University of Kassel. 

Helfrich‐Forster C (2005) Neurobiology of the fruit fly's circadian clock. Genes Brain Behav 4:65‐76. 

Helfrich‐Förster  C  (1995)  The  period  clock  gene  is  expressed  in  central  nervous  system  neurons which also produce a neuropeptide that reveals the projections of circadian pacemaker cells within the brain of Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci USA 92:612‐616. 

Helfrich‐Förster  C  (2003)  The  neuroarchitecture  of  the  circadian  clock  in  the  brain  of Drosophila melanogaster. Microsc Res Tech 62:94‐102. 

Helfrich‐Förster C (2006) The neural basis of Drosophila’s circadian clock. Sleep Biol Rhythms 4:224‐234. 

Helfrich‐Förster C (2009) Does the morning and evening oscillator model fit better for flies or mice? J Biol Rhythms 24:259‐270. 

Helfrich‐Förster C (2014) From neurogenetic studies in the fly brain to a concept in circadian biology. J Neurogenet 1‐19. 

Helfrich‐Förster C, Shafer OT, Wulbeck C, Grieshaber E, Rieger D, Taghert P (2007) Development and morphology  of  the  clock‐gene‐expressing  lateral  neurons  of  Drosophila  melanogaster.  J Comp Neurol 500:47‐70. 

Helfrich‐Förster  C,  Stengl M,  Homberg  U  (1998) Organization  of  the  circadian  system  in  insects. Chronobiol Int 15:567‐594. 

Page 124: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

104  

Helfrich‐Förster C, Täuber M, Park  JH, Mühlig‐Versen M,  Schneuwly  S, Hofbauer A  (2000) Ectopic expression  of  the  neuropeptide  pigment‐dispersing  factor  alters  behavioral  rhythms  in Drosophila melanogaster. J Neurosci 20:3339‐3353. 

Hermann‐Luibl C, Helfrich‐Förster C (2015) Clock network in Drosophila. Curr Opin Insect Sci. 

Hermann  C,  Yoshii  T,  Dusik  V,  Helfrich‐Förster  C  (2012)  Neuropeptide  F  immunoreactive  clock neurons  modify  evening  locomotor  activity  and  free‐running  period  in  Drosophila melanogaster. J Comp Neurol 520:970‐987. 

Hill  DR  (1985)  GABAB  receptor modulation  of  adenylate  cyclase  activity  in  rat  brain  slices.  Br  J Pharmacol 84:249‐257. 

Hofer S, Homberg U  (2006) Evidence  for a role of orcokinin‐related peptides  in the circadian clock controlling  locomotor activity of  the cockroach Leucophaea maderae.  J Exp Biol 209:2794‐2803. 

Homberg  U,  Hildebrand  J  (1991)  Histamine  immunoreactive  neurons  in  the  midbrain  and suboesophageal ganglion of the sphinx moth Manduca sexta. J Comp Neurol 307:647‐657. 

Homberg U, Reischig T, Stengl M (2003) Neural organization of the circadian system of the cockroach Leucophaea maderae. Chronobiol Int 20:577‐591. 

Homberg  U, Würden  S,  Dircksen  H,  Rao  KR  (1991)  Comparative  anatomy  of  pigment‐dispersing hormone‐immunoreactive  neurons  in  the  brain  of  orthopteroid  insects.  Cell  Tissue  Res 266:343‐357. 

Hong S‐T, Bang S, Paik D, Kang J, Hwang S, Jeon K, Chun B, Hyun S, Lee Y, Kim J (2006) Histamine and its receptors modulate temperature‐preference behaviors in Drosophila. J Neurosci 26:7245‐7256. 

Horikawa K, Shibata S (2004) Phase‐resetting response to (+)8‐OH‐DPAT, a serotonin 1A/7 receptor agonist, in the mouse in vivo. Neurosci Lett 368:130‐134. 

Huang  ZL,  Urade  Y,  Hayaishi  O  (2011)  Key  roles  of  the  histaminergic  system  in  sleep–wake regulation. Sleep Biol Rhythms 9:34‐37. 

Hut RA, Van  der  Zee  EA  (2011)  The  cholinergic  system,  circadian  rhythmicity,  and  time memory. Behav Brain Res 221:466‐480. 

Hyun S, Lee Y, Hong ST, Bang S, Paik D, Kang  J, Shin J, Lee  J, Jeon K, Hwang S, Bae E, Kim  J  (2005) Drosophila GPCR Han is a receptor for the circadian clock neuropeptide PDF. Neuron 48:267‐278. 

Ignell R (2001) Monoamines and neuropeptides  in antennal  lobe  interneurons of the desert  locust, Schistocerca gregana: an immunocytochemical study. Cell Tissue Res 306:143‐156. 

Im  SH,  Taghert  PH  (2010)  PDF  receptor  expression  reveals  direct  interactions  between  circadian oscillators in Drosophila. J Comp Neurol 518:1925‐1945. 

Page 125: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

105  

Ito  C,  Goto  SG,  Shiga  S,  Tomioka  K,  Numata  H  (2008)  Peripheral  circadian  clock  for  the  cuticle deposition rhythm in Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci USA 105:8446‐8451. 

Itowi N,  Yamatodani A, Mochizuki  T, Wada H  (1991)  Effects  of  intracerebroventricular  histamine injection on circadian activity phase entrainment during rapid illumination changes. Neurosci Lett 123:53‐56. 

Jacobs  EH,  Yamatodani  A,  Timmerman  H  (2000)  Is  histamine  the  final  neurotransmitter  in  the entrainment of circadian rhythms in mammals? Trends Pharmacol Sci 21:293‐298. 

Johard  HA,  Yoishii  T,  Dircksen  H,  Cusumano  P,  Rouyer  F,  Helfrich‐Förster  C,  Nässel  DR  (2009) Peptidergic clock neurons  in Drosophila:  ion transport peptide and short neuropeptide F  in subsets of dorsal and ventral lateral neurons. J Comp Neurol 516:59‐73. 

Kaczmarek  LK,  Levitan  IB  (1987) What  is neuromodulation  In: Neuromodulation:  The Biochemical Control  of Neuronal  Excitability  (Kaczmarek,  L.  K.  and  Levitan,  I. B.,  eds),  pp  1‐17 Oxford Oxford University Press. 

Kahsai  L,  Carlsson MA, Winther  Å,  Nässel  DR  (2012)  Distribution  of  metabotropic  receptors  of serotonin, dopamine, GABA, glutamate, and short neuropeptide F in the central complex of Drosophila. Neuroscience 208:11‐26. 

Keene AC, Mazzoni EO, Zhen  J, Younger MA, Yamaguchi  S, Blau  J, Desplan C,  Sprecher  SG  (2011) Distinct  visual  pathways  mediate  Drosophila  larval  light  avoidance  and  circadian  clock entrainment. J Neurosci 31:6527‐6534. 

Kloss B, Price  JL, Saez L, Blau  J, Rothenfluh A, Wesley CS, Young MW  (1998) The Drosophila clock gene double‐time  encodes  a protein  closely  related  to human  casein  kinase  Iepsilon. Cell 94:97‐107. 

Knipper  M,  Breer  H  (1988)  Subtypes  of  muscarinic  receptors  in  insect  nervous  system.  Comp Biochem Physiol 90C:275‐280. 

Kononenko NI, Dudek FE (2004) Mechanism of irregular firing of suprachiasmatic nucleus neurons in rat hypothalamic slices. J Neurophysiol 91:267‐273. 

Konopka  RJ,  Benzer  S  (1971)  Clock mutants  of Drosophila melanogaster.  Proc Natl Acad  Sci USA 68:2112‐2116. 

Kudo  T,  Tahara  Y,  Gamble  KL, McMahon  DG,  Block  GD,  Colwell  CS  (2013)  Vasoactive  intestinal peptide produces  long‐lasting  changes  in neural  activity  in  the  suprachiasmatic nucleus.  J Neurophysiol 110:1097‐1106. 

Lear BC, Merrill CE,  Lin  JM,  Schroeder A,  Zhang  L, Allada R  (2005) A G protein‐coupled  receptor, groom‐of‐PDF, is required for PDF neuron action in circadian behavior. Neuron 48:221‐227. 

Lear BC, Zhang L, Allada R (2009) The neuropeptide PDF acts directly on evening pacemaker neurons to regulate multiple features of circadian behavior. PLoS Biol 7:e1000154. 

Page 126: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

106  

Leboulle  G,  Niggebrügge  C,  Roessler  R,  Briscoe  AD,  Menzel  R,  Hempel  de  Ibarra  N  (2013) Characterisation of the RNA  interference response against the  long‐wavelength receptor of the honeybee. Insect Biochem Mol Biol 43:959‐969. 

Lee C‐M, Su M‐T, Lee H‐J (2009) Pigment dispersing factor: an output regulator of the circadian clock in the German cockroach. J Biol Rhythms 24:35‐43. 

Lelito  KR,  Shafer  OT  (2012)  Reciprocal  cholinergic  and  GABAergic  modulation  of  the  small ventrolateral  pacemaker  neurons  of  Drosophila's  circadian  clock  neuron  network.  J Neurophysiol 107:2096‐2108. 

Lewandowski M (1983) Circadian changes of acetylcholinesterase activity  in the reticular formation of  the mouse  brain  under  the  influence  of  different  light  conditions,  with  reference  to locomotor activity. Folia Biol (Krakow) 31:53‐64. 

Li  Y, Guo  F,  Shen  J,  Rosbash M  (2014)  PDF  and  cAMP  enhance  PER  stability  in Drosophila  clock neurons. Proc Natl Acad Sci USA 111:E1284‐1290. 

Lin  Y,  Stormo  GD,  Taghert  PH  (2004)  The  neuropeptide  pigment‐dispersing  factor  coordinates pacemaker interactions in the Drosophila circadian system. J Neurosci 24:7951‐7957. 

Lissandron V, Terrin A, Collini M, D'alfonso L, Chirico G, Pantano S, Zaccolo M (2005) Improvement of a  FRET‐based  indicator  for  cAMP  by  linker  design  and  stabilization  of  donor–acceptor interaction. J Mol Biol 354:546‐555. 

Liu CY, Jamaleddin AJ, Zhang H, Christofi FL (1999) FlCRhR/cyclic AMP signaling in myenteric ganglia and calbindin‐D28  intrinsic primary afferent neurons  involves adenylyl cyclases  I,  III and  IV. Brain Res 826:253‐269. 

Loesel R, Homberg U  (1998) Sustained oscillations  in an  insect visual system. Naturwissenschaften 85:238‐240. 

Loesel  R,  Homberg  U  (1999)  Histamine‐immunoreactive  neurons  in  the  brain  of  the  cockroach Leucophaea maderae. Brain Res 842:408‐418. 

Loesel R, Homberg U  (2001) Anatomy and physiology of neurons with processes  in  the accessory medulla of the cockroach Leucophaea maderae. J Comp Neurol 439:193‐207. 

López  IA  (2014)  Extrazelluläre  Ableitungen  am  circadianen  Schrittmacherzentrum  der Madeiraschabe  Rhyparobia  maderae  am  intakten  Tier.  (Diplom  thesis).  In:  Animal Physiology, Department of Biology Kassel: University of Kassel  

Mains R, Eipper B (2006) Peptides. In: Basic neurochemistry Molecular, cellular, and medical aspects (Siegel, G., ed) Amsterdam: Elsevier. 

Martinek  S,  Inonog  S, Manoukian  AS,  Young MW  (2001)  A  role  for  the  segment  polarity  gene shaggy/GSK‐3 in the Drosophila circadian clock. Cell 105:769‐779. 

Mash  DC,  Flynn  DD,  Kalinoski  L,  Potter  LT  (1985)  Circadian  variations  in  radioligand  binding  to muscarine receptors in rat brain dependent upon endogenous agonist occupation. Brain Res 331:35‐38. 

Page 127: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

107  

Maywood ES, Reddy AB, Wong GK, O'Neill  JS, O'Brien  JA, McMahon DG, Harmar AJ, Okamura H, Hastings MH  (2006)  Synchronization  and maintenance  of  timekeeping  in  suprachiasmatic circadian clock cells by neuropeptidergic signaling. Curr Biol 16:599‐605. 

McCarthy  EV, Wu  Y,  Decarvalho  T,  Brandt  C,  Cao G, Nitabach MN  (2011)  Synchronized  bilateral synaptic  inputs  to  Drosophila  melanogaster  neuropeptidergic  rest/arousal  neurons.  J Neurosci 31:8181‐8193. 

Melzig  J,  Buchner  S, Wiebel  F, Wolf  R,  Burg M,  Pak WL,  Buchner  E  (1996) Genetic  depletion  of histamine  from  the  nervous  system  of  Drosophila  eliminates  specific  visual  and mechanosensory behavior. J Comp Physiol A 179:763‐773. 

Meng T, Yuan S, Zheng Z, Liu T, Lin L (2015) Effects of endogenous melatonin on glutamate and GABA rhythms  in  the  striatum  of  unilateral  6‐hydroxydopamine‐lesioned  rats.  Neuroscience 286:308‐315. 

Merlin C,  Lucas P, Rochat D, Francois MC, Maibeche‐Coisne M,  Jacquin‐Joly E  (2007) An antennal circadian  clock  and  circadian  rhythms  in  peripheral  pheromone  reception  in  the  moth Spodoptera littoralis. J Biol Rhythms 22:502‐514. 

Mertens  I, Vandingenen A, Johnson EC, Shafer OT, Li W, Trigg JS, De Loof A, Schoofs L, Taghert PH (2005)  PDF  receptor  signaling  in  Drosophila  contributes  to  both  circadian  and  geotactic behaviors. Neuron 48:213‐219. 

Meyer‐Spasche  A,  Piggins  HD  (2004)  Vasoactive  intestinal  polypeptide  phase‐advances  the  rat suprachiasmatic  nuclei  circadian  pacemaker  in  vitro  via  protein  kinase  A  and  mitogen‐activated protein kinase. Neurosci Lett 358:91‐94. 

Mezler M, Muller T, Raming K (2001) Cloning and functional expression of GABA(B) receptors from Drosophila. Eur J Neurosci 13:477‐486. 

Miller  JD, Murakami  DM,  Fuller  CA  (1987)  The  response  of  suprachiasmatic  neurons  of  the  rat hypothalamus to photic and nicotinic stimuli. J Neurosci 7:978‐986. 

Mizrak D, Ruben M, Myers GN, Rhrissorrakrai K, Gunsalus KC, Blau  J  (2012) Electrical activity  can impose time of day on the circadian transcriptome of pacemaker neurons. Curr Biol 22:1871‐1880. 

Mochizuki  T,  Yamatodani  A,  Okakura  K,  Horii  A,  Inagaki  N, Wada  H  (1992)  Circadian  rhythm  of histamine release from the hypothalamus of freely moving rats. Physiol Behav 51:391‐394. 

Monastirioti M (1999) Biogenic amine systems in the fruit fly Drosophila melanogaster. Microsc Res Tech 45:106‐121. 

Moore  RY  (1983) Organization  and  function  of  a  central  nervous  system  circadian  oscillator:  the suprachiasmatic hypothalamic nucleus. Fed Proc 42:2783‐2789. 

Moore  RY,  Eichler  VB  (1972)  Loss  of  a  circadian  adrenal  corticosterone  rhythm  following suprachiasmatic lesions in the rat. Brain Res 42:201‐206. 

Moore RY, Speh JC, Leak RK (2002) Suprachiasmatic nucleus organization. Cell Tissue Res 309:89‐98. 

Page 128: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

108  

Morley BJ, Garner LL (1990) Light‐dark variation  in response to chronic nicotine treatment and the density of hypothalamic alpha‐bungarotoxin  receptors. Pharmacol Biochem Behav 37:239‐245. 

Murphy  DL,  Andrews  AM,  Wichems  CH,  Li  Q,  Tohda  M,  Greenberg  B  (1998)  Brain  serotonin neurotransmission:  an  overview  and  update  with  an  emphasis  on  serotonin  subsystem heterogeneity, multiple  receptors,  interactions with  other  neurotransmitter  systems,  and consequent  implications  for  understanding  the  actions  of  serotonergic  drugs.  J  Clin Psychiatry 59 Suppl 15:4‐12. 

Myers EM, Yu  JJ, Sehgal A  (2003) Circadian control of eclosion:  Interaction between a central and peripheral clock in Drosophila melanogaster. Curr Biol 13:526‐533. 

Nall A, Sehgal A (2014) Monoamines and sleep in Drosophila. Behav Neurosci 128:264‐272. 

Nashmi R, Lester HA (2006) CNS localization of neuronal nicotinic receptors. J Mol Neurosci 30:181‐184. 

Nässel D, Elekes K (1992) Aminergic neurons in the brain of blowflies and Drosophila: dopamine‐and tyrosine  hydroxylase‐immunoreactive  neurons  and  their  relationship  with  putative histaminergic neurons. Cell Tissue Res 267:147‐167. 

Nässel  DR  (1991)  Neurotransmitters  and  neuromodulators  in  the  insect  visual  system.  Prog Neurobiol 37:179‐254. 

Nässel  DR  (2000)  Functional  roles  of  neuropeptides  in  the  insect  central  nervous  system. Naturwissenschaften 87:439‐449. 

Nässel DR, Holmqvist MH, Hardie RC, Håkanson R, Sundler F (1988) Histamine‐like immunoreactivity in photoreceptors of the compound eyes and ocelli of the flies Calliphora erythrocephala and Musca domestica. Cell Tissue Res 253:639‐646. 

Nässel  DR,  Shiga  S, Wikstrand  EM,  Rao  KR  (1991)  Pigment‐dispersing  hormone‐immunoreactive neurons  and  their  relation  to  serotonergic  neurons  in  the  blowfly  and  cockroach  visual system. Cell Tissue Res 266:511‐523. 

Nichols DE, Nichols CD (2008) Serotonin receptors. Chem Rev 108:1614‐1641. 

Nielsen HS, Hannibal J, Fahrenkrug J (2002) Vasoactive intestinal polypeptide induces per1 and per2 gene expression in the rat suprachiasmatic nucleus late at night. Eur J Neurosci 15:570‐574. 

Niino Y, Hotta K, Oka K (2009) Simultaneous Live Cell Imaging Using Dual FRET Sensors with a Single Excitation Light. PLoS ONE 4:e6036. 

Nikolaev  VO,  Lohse  MJ  (2006)  Monitoring  of  cAMP  synthesis  and  degradation  in  living  cells. Physiology 21:86‐92. 

Nishiitsutsuji‐Uwo J, Pittendrigh CS (1968a) Central nervous system control of circadian rhythmicity in  the  cockroach  II. The Pathway of  Light Signals  that Entrain  the Rhythm. Z Vergl Physiol 58:1‐13. 

Page 129: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

109  

Nishiitsutsuji‐Uwo J, Pittendrigh CS (1968b) Central nervous system control of circadian rhythmicity in the cockroach III. The Optic Lobes, Locus of the Driving Oscillation? Z Vergl Physiol 58:14‐46. 

Nitabach MN, Blau J, Holmes TC  (2002) Electrical silencing of Drosophila pacemaker neurons stops the free‐running circadian clock. Cell 109:485‐495. 

Nordberg A, Wahlström G (1980) Diurnal fluctuation in striatal choline acetyltransferase activity and strain difference in brain protein content of the rat. Acta Physiol Scand 108:385‐388. 

O'Neill JS, Maywood ES, Chesham JE, Takahashi JS, Hastings MH (2008) cAMP‐dependent signaling as a core component of the mammalian circadian pacemaker. Science 320:949‐953. 

Oh  Y,  Jang D,  Sonn  JY,  Choe  J  (2013) Histamine‐HisCl1  Receptor Axis  Regulates Wake‐Promoting Signals in Drosophila melanogaster. PLoS ONE 8:e68269. 

Page  T  (1978)  Interactions  between  bilaterally  paired  components  of  the  cockroach  circadian system. J Comp Physiol 124:225‐236. 

Page TL (1982) Transplantation of the cockroach circadian pacemaker. Science 216:73‐75. 

Page TL (1987) Serotonin phase‐shifts the circadian rhythm of locomotor activity in the cockroach. J Biol Rhythms 2:23‐34. 

Page TL (1990) Circadian organization in the cockroach. In: Cockroaches as models for neurobiology: Applications in biomedical research (Huber, I., ed), pp 225–246 Boca Raton: CRC Press  

Page  TL  (2001)  Circadian  systems  of  invertebrates.  In:  Handbook  of  behavioral  neurobiology: Circadian clocks(Takahashi, J. et al., eds), pp 79–110 New York: Plenum Press. 

Page TL, Barrett RK  (1989) Effects of  light on  circadian pacemaker development.  II. Responses  to light. J Comp Physiol A 165:51‐59. 

Page TL, Caldarola PC, Pittendrigh CS (1977) Mutual entrainment of bilaterally distributed circadian pacemaker. Proc Natl Acad Sci USA 74:1277‐1281. 

Pakhotin  P,  Harmar  AJ,  Verkhratsky  A,  Piggins  H  (2006)  VIP  receptors  control  excitability  of suprachiasmatic nuclei neurons. Pflugers Arch 452:7‐15. 

Pantazis A, Segaran A, Liu CH, Nikolaev A, Rister J, Thum AS, Roeder T, Semenov E, Juusola M, Hardie RC  (2008)  Distinct  roles  for  two  histamine  receptors  (hclA  and  hclB)  at  the  Drosophila photoreceptor synapse. J Neurosci 28:7250‐7259. 

Parisky KM, Agosto J, Pulver SR, Shang Y, Kuklin E, Hodge JJ, Kang K, Liu X, Garrity PA, Rosbash M, Griffith  LC  (2008)  PDF  cells  are  a  GABA‐responsive  wake‐promoting  component  of  the Drosophila sleep circuit. Neuron 60:672‐682. 

Park D, Griffith LC (2006) Electrophysiological and anatomical characterization of PDF‐positive clock neurons in the intact adult Drosophila brain. J Neurophysiol 95:3955‐3960. 

Page 130: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

110  

Paulus  EV, Mintz  EM  (2013)  Photic  and  nonphotic  responses  of  the  circadian  clock  in  serotonin‐deficient Pet‐1 knockout mice. Chronobiol Int 30:1251‐1260. 

Peng  Y,  Stoleru D,  Levine  JD, Hall  JC, Rosbash M  (2003) Drosophila  free‐running  rhythms  require intercellular communication. PLoS Biol 1:E13. 

Peschel N, Helfrich‐Förster C  (2011) Setting  the  clock – by nature:  circadian  rhythm  in  the  fruitfly Drosophila melanogaster. FEBS Lett 585:1435‐1442. 

Petri B, Homberg U, Loesel R, Stengl M (2002) Evidence for a role of GABA and Mas‐allatotropin  in photic entrainment of the circadian clock of the cockroach Leucophaea maderae. J Exp Biol 205:1459‐1469. 

Petri B, Stengl M (1997) Pigment‐dispersing hormone shifts the phase of the circadian pacemaker of the cockroach Leucophaea maderae. J Neurosci 17:4087‐4093. 

Petri  B,  Stengl  M,  Würden  S,  Homberg  U  (1995)  Immunocytochemical  characterization  of  the accessory medulla in the cockroach Leucophaea maderae. Cell Tissue Res 282:3‐19. 

Pirvola U,  Tuomisto  L,  Yamatodani A,  Panula  P  (1988) Distribution of histamine  in  the  cockroach brain  and  visual  system:  an  immunocytochemical  and  biochemical  study.  J  Comp Neurol 276:514‐526. 

Pollack  I,  Hofbauer  A  (1991)  Histamine‐like  immunoreactivity  in  the  visual  system  and  brain  of Drosophila melanogaster. Cell Tissue Res 266:391‐398. 

Ponsioen B, Zhao J, Riedl J, Zwartkruis F, van der Krogt G, Zaccolo M, Moolenaar WH, Bos JL, Jalink K (2004) Detecting cAMP  induced Epac activation by fluorescence resonance energy transfer: Epac as a novel cAMP indicator. EMBO Rep 5:1176‐1180. 

Price  JL,  Blau  J,  Rothenfluh  A,  Abodeely M,  Kloss  B,  Young MW  (1998)  double‐time  is  a  novel Drosophila clock gene that regulates PERIOD protein accumulation. Cell 94:83‐95. 

Prosser RA, Gillette MU (1989) The mammalian circadian clock in the suprachiasmatic nuclei is reset in vitro by cAMP. J Neurosci 9:1073‐1081. 

Prosser RA, Gillette MU (1991) Cyclic changes in cAMP concentration and phosphodiesterase activity in a mammalian circadian clock studied in vitro. Brain Res 568:185‐192. 

Pyza E, Meinertzhagen  I  (1996) Neurotransmitters regulate rhythmic size changes amongst cells  in the fly's optic lobe. J Comp Physiol A 178:33‐45. 

Pyza E, Meinertzhagen IA (1997) Circadian rhythms in screening pigment and invaginating organelles in photoreceptor terminals of the housefly's first optic neuropile. J Neurobiol 32:517‐529. 

Raghu SV, Borst A (2011) Candidate glutamatergic neurons  in the visual system of Drosophila. PLoS ONE 6:e19472. 

Rea  MA,  Glass  JD,  Colwell  CS  (1994)  Serotonin  modulates  photic  responses  in  the  hamster suprachiasmatic nuclei. J Neurosci 14:3635‐3642. 

Page 131: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

111  

Refinetti R (2006) Circadian Physiology: CRC Press. 

Reghunandanan  V,  Reghunandanan  R  (2006)  Neurotransmitters  of  the  suprachiasmatic  nuclei.  J circadian rhythms 4:2. 

Reischig  T,  Petri  B,  Stengl M  (2004)  Pigment‐dispersing  hormone  (PDH)‐immunoreactive  neurons form a direct coupling pathway between the bilaterally symmetric circadian pacemakers of the cockroach Leucophaea maderae. Cell Tissue Res 318:553‐564. 

Reischig T, Stengl M (1996) Morphology and pigment‐dispersing hormone immunocytochemistry of the accessory medulla, the presumptive circadian pacemaker of the cockroach Leucophaea maderae: a light‐and electron‐microscopic study. Cell Tissue Res 285:305‐319. 

Reischig  T,  Stengl M  (2002)  Optic  lobe  commissures  in  a  three  dimensional  brain model  of  the cockroach  Leucophaea  maderae:  A  search  for  the  circadian  coupling  pathways.  J  Comp Neurol 443:388‐400. 

Reischig  T,  Stengl M  (2003a)  Ectopic  transplantation  of  the  accessory medulla  restores  circadian locomotor rhythms  in arrhythmic cockroaches (Leucophaea maderae). J Exp Biol 206:1877‐1886. 

Reischig  T,  Stengl  M  (2003b)  Ultrastructure  of  pigment‐dispersing  hormone‐immunoreactive neurons  in  a  three‐dimensional  model  of  the  accessory  medulla  of  the  cockroach Leucophaea maderae. Cell Tissue Res 314:421‐435. 

Renn  SC, Park  JH, Rosbash M, Hall  JC, Taghert PH  (1999) A pdf neuropeptide gene mutation and ablation of PDF neurons each cause severe abnormalities of behavioral circadian rhythms in Drosophila. Cell 99:791‐802. 

Rich TC, Karpen  JW  (2002) Review article: cyclic AMP sensors  in  living cells: what signals can  they actually measure? Ann Biomed Eng 30:1088‐1099. 

Rieger D, Shafer OT, Tomioka K, Helfrich‐Förster C (2006) Functional analysis of circadian pacemaker neurons in Drosophila melanogaster. J Neurosci 26:2531‐2543. 

Roberts SK (1965) Photoreception and entrainment of cockroach activity rhythms. Science 148:958‐959. 

Roberts SK (1974) Circadian rhythms in cockroaches. J Comp Physiol 88:21‐30. 

Roeder  T  (2003) Metabotropic  histamine  receptors—nothing  for  invertebrates?  Eur  J  Pharmacol 466:85‐90. 

Roenneberg T, Merrow M  (2000) Circadian clocks: Omnes viae Romam ducunt. Curr Biol 10:R742‐R745. 

Roenneberg T, Merrow M (2005) Circadian clocks – the fall and rise of physiology. Nat Rev Mol Cell Biol 6:965‐971. 

Ruben M, Drapeau MD, Mizrak D, Blau  J  (2012) A mechanism  for  circadian  control of pacemaker neuron excitability. J Biol Rhythms 27:353‐364. 

Page 132: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

112  

Rusak B, Bina K  (1990) Neurotransmitters  in  the mammalian circadian system. Annu Rev Neurosci 13:387‐401. 

Rutila JE, Suri V, Le M, So WV, Rosbash M, Hall JC (1998) CYCLE Is a Second bHLH‐PAS Clock Protein Essential for Circadian Rhythmicity and Transcription of Drosophila period and timeless. Cell 93:805‐814. 

Saifullah AS,  Tomioka K  (2002)  Serotonin  sets  the day  state  in  the neurons  that  control  coupling between  the optic  lobe circadian pacemakers  in  the cricket Gryllus bimaculatus.  J Exp Biol 205:1305‐1314. 

Sanggaard KM, Hannibal J, Fahrenkrug J (2003) Serotonin inhibits glutamate‐ but not PACAP‐induced per  gene  expression  in  the  rat  suprachiasmatic  nucleus  at  night.  Eur  J Neurosci  17:1245‐1252. 

Saunders DS, Steel C, Vafopoulou X, Lewis RD (2002) Insect clock: Elsevier Science, Amsterdam, The Netherlands. 

Schendzielorz  J  (2013) Analysis of  the circadian system of  the cockroach Rhyparobia  (Leucophaea) maderae.  (PhD  thesis).  In: Animal physiology, Department of Biology Kassel: University of Kassel. 

Schendzielorz J, Schendzielorz T, Arendt A, Stengl M (2014) Bimodal Oscillations of Cyclic Nucleotide Concentrations  in  the Circadian  System of  the Madeira Cockroach Rhyparobia maderae.  J Biol Rhythms 29:318‐331. 

Schendzielorz J, Stengl M (2014) Candidates for the light entrainment pathway to the circadian clock of the Madeira cockroach Rhyparobia maderae. Cell Tissue Res 355:447‐462. 

Schiebeler H, von Mayersbach H (1974) Circadian variations of acetylcholine esterase (E.C.3.1.1.7) in rat brains. Int J Chronobiol 2:281‐289. 

Schmid B, Helfrich‐Förster C, Yoshii T (2011) A new ImageJ plug‐in "ActogramJ" for chronobiological analyses. J Biol Rhythms 26:464‐467. 

Schneider NL, Stengl M (2005) Pigment‐dispersing factor and GABA synchronize cells of the isolated circadian clock of the cockroach Leucophaea maderae. J Neurosci 25:5138‐5147. 

Schneider  NL,  Stengl  M  (2006)  Gap  junctions  between  accessory  medulla  neurons  appear  to synchronize  circadian  clock  cells  of  the  cockroach  Leucophaea maderae.  J  Neurophysiol 95:1996‐2002. 

Schneider NL, Stengl M (2007) Extracellular long‐term recordings of the isolated accessory medulla, the circadian pacemaker center of the cockroach Leucophaea maderae, reveal ultradian and hint circadian rhythms. J Comp Physiol A Neuroethol Sens Neural Behav Physiol 193:35‐42. 

Schulze J, Neupert S, Schmidt L, Predel R, Lamkemeyer T, Homberg U, Stengl M (2012) Myoinhibitory peptides  in  the  brain  of  the  cockroach  Leucophaea  maderae  and  colocalization  with pigment‐dispersing factor in circadian pacemaker cells. J Comp Neurol 520:1078‐1097. 

Page 133: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

113  

Schulze J, Schendzielorz T, Neupert S, Predel R, Stengl M (2013) Neuropeptidergic input pathways to the  circadian  pacemaker  center  of  the  Madeira  cockroach  analysed  with  an  improved injection technique. Eur J Neurosci 38:2842‐2852. 

Schwartz  J‐C, Arrang  J‐M, Garbarg M, Pollard H, Ruat M  (1991) Histaminergic  transmission  in  the mammalian brain. Physiol Rev 71:1‐51. 

Schwartz  JH  (2001)  The many  dimensions  of  cAMP  signaling.  Proc  Natl  Acad  Sci  USA  98:13482‐13484. 

Segev R, Goodhouse J, Puchalla J, Berry MJ, 2nd (2004) Recording spikes from a large fraction of the ganglion cells in a retinal patch. Nat Neurosci 7:1154‐1161. 

Sehgal A,  Price  JL, Man  B,  Young MW  (1994)  Loss  of  circadian  behavioral  rhythms  and  per  RNA oscillations in the Drosophila mutant timeless. Science 263:1603‐1606. 

Seluzicki  A,  Flourakis M,  Kula‐Eversole  E,  Zhang  L,  Kilman  V,  Allada  R  (2014)  Dual  PDF  Signaling Pathways Reset Clocks Via TIMELESS and Acutely Excite Target Neurons to Control Circadian Behavior. PLoS Biol 12:e1001810. 

Shafer OT, Helfrich‐Förster C, Renn SC, Taghert PH (2006) Reevaluation of Drosophila melanogaster's neuronal circadian pacemakers reveals new neuronal classes. J Comp Neurol 498:180‐193. 

Shafer  OT,  Kim  DJ,  Dunbar‐Yaffe  R,  Nikolaev  VO,  Lohse  MJ,  Taghert  PH  (2008)  Widespread receptivity  to  neuropeptide  PDF  throughout  the  neuronal  circadian  clock  network  of Drosophila revealed by real‐time cyclic AMP imaging. Neuron 58:223‐237. 

Shafer OT, Taghert PH (2009) RNA‐interference knockdown of Drosophila pigment dispersing factor in neuronal subsets: The anatomical basis of a neuropeptide's circadian Functions. PLoS ONE 4:e8298. 

Shafer  OT,  Yao  Z  (2014)  Pigment‐dispersing  factor  signaling  and  circadian  rhythms  in  insect locomotor activity. Curr Opin Insect Sci. 

Sheeba  V,  Fogle  KJ,  Holmes  TC  (2010)  Persistence  of  morning  anticipation  behavior  and  high amplitude morning startle response following functional loss of small ventral lateral neurons in Drosophila. PLoS ONE 5:e11628. 

Shiga S (2013) Photoperiodic plasticity in circadian clock neurons in insects. Front Physiol 4. 

Smith VM, Jeffers RT, McAllister BB, Basu P, Dyck RH, Antle MC (2015) Effects of lighting condition on circadian behavior in 5‐HT1A receptor knockout mice. Physiol Behav 139:136‐144. 

Söhler S, Neupert S, Predel R, Nichols R, Stengl M (2007) Localization of  leucomyosuppressin  in the brain and  circadian  clock of  the  cockroach  Leucophaea maderae. Cell Tissue Res 328:443‐452. 

Söhler  S,  Neupert  S,  Predel  R,  Stengl M  (2008)  Examination  of  the  role  of  FMRFamide‐related peptides  in  the  circadian  clock  of  the  cockroach  Leucophaea  maderae.  Cell  Tissue  Res 332:257‐269. 

Page 134: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

114  

Söhler S, Stengl M, Reischig T (2011) Circadian pacemaker coupling by multi‐peptidergic neurons  in the cockroach Leucophaea maderae. Cell Tissue Res 343:559‐577. 

Stanewsky R (2002) Clock mechanisms in Drosophila. cell Tissue Res 309:11‐26. 

Stanewsky R, Kaneko M, Emery P, Beretta B, Wager‐Smith K, Kay SA, Rosbash M, Hall JC (1998) The cryb  Mutation  Identifies  Cryptochrome  as  a  Circadian  Photoreceptor  in  Drosophila.  Cell 95:681‐692. 

Stehle  J  (1991)  Effects  of  histamine  on  spontaneous  electrical  activity  of  neurons  in  rat suprachiasmatic nucleus. Neurosci Lett 130:217‐220. 

Stengl  M,  Homberg  U  (1994)  Pigment‐dispersing  hormone‐immunoreactive  neurons  in  the cockroach Leucophaea maderae share properties with circadian pacemaker neurons. J Comp Physiol A 175:203‐213. 

Stephan  FK,  Berkley  KJ, Moss RL  (1981)  Efferent  connections  of  the  rat  suprachiasmatic  nucleus. Neuroscience 6:2625‐2641. 

Stieger  KR  (2011)  In  vivo  cAMP‐Messungen  vonncircadianen  Schrittmacherneuronen  der  Schabe Leucophaea maderae: Die  cAMP‐abhängige Proteinkinase als  FRET‐Sensor.  (Diplom  thesis) In: Animal Physiology, Biochemistry , Department of Biology Kassel: University of Kassel. 

Stoleru D,  Peng  Y,  Agosto  J,  Rosbash M  (2004)  Coupled  oscillators  control morning  and  evening locomotor behaviour of Drosophila. Nature 431:862‐868. 

Strausfeld NJ (1999) A brain region in insects that supervises walking. Prog Brain Res 123:273‐284. 

Stuart  AE  (1999)  From  fruit  flies  to  barnacles,  histamine  is  the  neurotransmitter  of  arthropod photoreceptors. Neuron 22:431‐433. 

Stuart  AE,  Borycz  J,  Meinertzhagen  IA  (2007)  The  dynamics  of  signaling  at  the  histaminergic photoreceptor synapse of arthropods. Prog Neurobiol 82:202‐227. 

Subramanyam  K,  Kumar  TP,  Babu  KS  (1981)  Circadian  activity  of  acetylcholinesterase  in  the cockroach, Periplaneta americana L. Proc Indian Acad Sci, (Anim Sci) 90:1‐10. 

Taghert  Paul H,  Nitabach  Michael N  (2012)  Peptide  Neuromodulation  in  Invertebrate  Model Systems. Neuron 76:82‐97. 

Tomioka K (1999) Light and serotonin phase‐shift the circadian clock in the cricket optic lobe in vitro. J Comp Physiol A 185:437‐444. 

Tomioka K (2014) Chronobiology of crickets: a review. Zoolog Sci 31:624‐632. 

Tomioka K, Matsumoto A (2010) A comparative view of  insect circadian clock systems. Cell Mol  life Sci 67:1397‐1406. 

Tsuruoka M, Matsutani  K, Maeda M,  Inoue  T  (2003)  Coeruleotrigeminal  inhibition  of  nociceptive processing in the rat trigeminal subnucleus caudalis. Brain Res 993:146‐153. 

Page 135: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

115  

Tuomisto  L  (1991)  Involvement  of  histamine  in  circadian  and  other  rhythms.  In:  Histaminergic neurons: morphology  and  function    (Watanabe,  T.  and Wada, H.,  eds),  pp  283–295 Boca Raton: CRC Press. 

Uryu  O,  Tomioka  K  (2010)  Circadian  oscillations  outside  the  optic  lobe  in  the  cricket  Gryllus bimaculatus. J Insect Physiol 56:1284‐1290. 

Van der Zee EA, Biemans BA, Gerkema MP, Daan S  (2004) Habituation  to a  test apparatus during associative  learning  is  sufficient  to  enhance  muscarinic  acetylcholine  receptor‐immunoreactivity in rat suprachiasmatic nucleus. J Neurosci Res 78:508‐519. 

van der Zee EA, Luiten PG (1999) Muscarinic acetylcholine receptors in the hippocampus, neocortex and  amygdala:  a  review  of  immunocytochemical  localization  in  relation  to  learning  and memory. Prog Neurobiol 58:409‐471. 

van  der  Zee  EA,  Streefland  C,  Strosberg  AD,  Schroder  H,  Luiten  PG  (1991)  Colocalization  of muscarinic and nicotinic receptors  in cholinoceptive neurons of the suprachiasmatic region in young and aged rats. Brain Res 542:348‐352. 

Vijayalakshmi S, Murali Mohan P, Babu KS (1977) Circadian rhythmicity in the nervous system of the cockroach, Periplaneta americana. J Insect Physiol 23:195‐202. 

Vincent P, Brusciano D (2001) Cyclic AMP imaging in neurones in brain slice preparations. J Neurosci Methods 108:189‐198. 

Vosko AM, Schroeder A, Loh DH, Colwell CS (2007) Vasoactive intestinal peptide and the mammalian circadian system. Gen Comp Endocrinol 152:165‐175. 

Wang  D,  Cui  LN,  Renaud  LP  (2003)  Pre‐  and  postsynaptic  gabab  receptors  modulate  rapid neurotransmission  from  suprachiasmatic  nucleus  to  parvocellular  hypothalamic paraventricular nucleus neurons. Neuroscience 118:49‐58. 

Wegener  C, Hamasaka  Y, Nässel DR  (2004) Acetylcholine  increases  intracellular  Ca2+  via  nicotinic receptors  in  cultured  PDF‐containing  clock neurons of Drosophila.  J Neurophysiol  91:912‐923. 

Wei  H,  El  Jundi  B,  Homberg  U,  Stengl  M  (2010)  Implementation  of  pigment  dispersing  factor immunoreactive neurons  in a standardized atlas of the brain of the cockroach Leucophaea maderae. J Comp Neurol 518:4113‐4133. 

Wei  H,  Stengl M  (2011)  Light  affects  the  branching  pattern  of  peptidergic  circadian  pacemaker neurons in the brain of the cockroach Leucophaea maderae. J Biol Rhythms 26:507‐517. 

Wei  H,  Stengl M  (2012)  Ca2+  ‐dependent  ion  channels  underlying  spontaneous  activity  in  insect circadian pacemaker neurons. Eur J Neurosci 36:3021‐3029. 

Wei HY, Yasar H, Funk NW, Giese M, Baz E‐S, Stengl M (2014) Signaling of pigment‐dispersing factor (PDF) in the Madeira cockroach Rhyparobia maderae. PLoS ONE 9:e108757. 

Werckenthin A, Derst C, Stengl M  (2012) Sequence and expression of per, tim1, and cry2 Genes  in the Madeira cockroach Rhyparobia maderae. J Biol Rhythms 27:453‐466. 

Page 136: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References  

116  

Westrich L, Haddjeri N, Dkhissi‐Benyahya O, Sanchez C  (2015)  Involvement of 5‐HT(7) receptors  in vortioxetine's  modulation  of  circadian  rhythms  and  episodic  memory  in  rodents. Neuropharmacology 89:382‐390. 

Wiedenmann  G  (1977)  Weak  and  strong  phase  shifting  in  the  activity  rhythm  of  Leucophaea maderae (Blaberidae) after light pulses of high intensity. Z Naturforsch 32:464‐465. 

Willoughby D, Cooper DM (2006) Ca2+ stimulation of adenylyl cyclase generates dynamic oscillations in cyclic AMP. J cell sci 119:828‐836. 

Willoughby  D,  Cooper DM  (2007) Organization  and  Ca2+  regulation  of  adenylyl  cyclases  in  cAMP microdomains. Physiol Rev 87:965‐1010. 

Wills SA, Page TL, Colwell CS (1985) Circadian rhythms  in the electroretinogram of the cockroach. J Biol Rhythms 1:25‐37. 

Witte K, Lemmer B (1991) Rhythms in second messenger mechanisms. Pharmacol Ther 51:231‐237. 

Wu Y, Cao G, Nitabach MN (2008) Electrical silencing of PDF neurons advances the phase of non‐PDF clock neurons in Drosophila. J Biol Rhythms 23:117‐128. 

Wurden S, Homberg U (1995) Immunocytochemical mapping of serotonin and neuropeptides in the accessory medulla of the locust, Schistocerca gregaria. J Comp Neurol 362:305‐319. 

Yang JJ, Wang YT, Cheng PC, Kuo YJ, Huang RC (2010) Cholinergic modulation of neuronal excitability in the rat suprachiasmatic nucleus. J Neurophysiol 103:1397‐1409. 

Yao  Z,  Shafer OT  (2014)  The Drosophila  circadian  clock  is  a  variably  coupled network of multiple peptidergic units. Science 343:1516‐1520. 

Yasuyama K, Kitamoto T, Salvaterra PM  (1995) Localization of choline acetyltransferase‐expressing neurons in the larval visual system of Drosophila melanogaster. Cell Tissue Res 282:193‐202. 

Yinon U (1970) Similarity of the electroretinogram in insects. J Insect Physiol 16:221‐225. 

Yoshii T, Rieger D, Helfrich‐Förster C (2012) Two clocks  in the brain: an update of the morning and evening oscillator model in Drosophila. Prog Brain Res 199:59‐82. 

Yuan Q, Joiner WJ, Sehgal A (2006) A sleep‐promoting role for the Drosophila serotonin receptor 1A. Curr Biol 16:1051‐1062. 

Yuan Q, Lin F, Zheng X, Sehgal A  (2005) Serotonin modulates circadian entrainment  in Drosophila. Neuron 47:115‐127. 

Yuh Liou S, Shibata S, Yamakawa K, Ueki S  (1983)  Inhibitory and excitatory effects of histamine on suprachiasmatic neurons in rat hypothalamic slice preparation. Neurosci Lett 41:109‐113. 

Zaccolo M, Cesetti T, Di Benedetto G, Mongillo M, Lissandron V, Terrin A, Zamparo I (2005) Imaging the cAMP‐dependent signal transduction pathway. Biochem Soc Trans 33:1323‐1326. 

Page 137: A molecular and cellular analysis of the circadian system

References

117  

Zaccolo M, De Giorgi F, Cho CY, Feng L, Knapp T, Negulescu PA, Taylor SS, Tsien RY, Pozzan T (2000) A genetically encoded, fluorescent indicator for cyclic AMP in living cells. Nat Cell Biol 2:25‐29. 

Zhang Y, Liu Y, Bilodeau‐Wentworth D, Hardin PE, Emery P (2010) Light and temperature control the contribution of specific DN1 neurons to Drosophila circadian behavior. Curr Biol 20:600‐605. 

Zheng  Y,  Hirschberg  B,  Yuan  J, Wang  AP, Hunt DC,  Ludmerer  SW,  Schmatz DM,  Cully DF  (2002) Identification  of  two  novel  Drosophila  melanogaster  histamine‐gated  chloride  channel subunits expressed in the eye. J Biol Chem 277:2000‐2005. 

Zill S (2010) Invertebrate Neurobiology: Brain Control of Insect Walking. Curr Biol 20:R438‐R440. 

 

Page 138: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

118  

 

   

Page 139: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Appendix

119  

Appendix 

Dual FRET­ and calcium­imaging experiments 

Simultaneous  imaging  of  Ca2+  and  cAMP  is  a  powerful  technique  to  analyze  the 

relationship  between  Ca2+ and  cAMP/PKA  signaling  pathways  in  the  cultured  neurons 

(DeBernardi and Brooker, 1996, Goaillard et al., 2001, Harbeck et al., 2006, Willoughby 

and Cooper, 2006, Dunn et al., 2009, Niino et al., 2009). The measurements of cAMP and 

Ca2+ in the same time frame with the described  imaging setup were not possible due to 

the filter position (see sections 2.3.2 and 2.4.3). The filter wheel of the microscope was 

switched manually  after  finishing  a  calcium  imaging  experiment  from  the  position  of 

FURA‐2‐set  filter  to  FRET‐  set  filter  to  start  a  FRET experiment  (Fig. 2.2).  In  this  study 

some modifications were performed to the setup in an attempt to measure parallel FRET 

and  calcium  imaging.  For  this  purpose,  a  motorized  automated  filter  switcher  was 

developed, in a way that the filter wheel can be automatically moved to an appropriate 

filter position at the exposure time of the selected excitation wavelength (Fig. A.1). Using 

Multi  Channel  recordings  (Ca2+  imaging:  340  nM  and  380  nM  &  FRET:  488  nM),  the 

excitation wavelengths were switched and fluorescence emission  images were acquired 

one directly after another  for 340 nm and 380 nm excitation channels  followed by two 

simultaneously  images  of  the  fluorescence  emissions  (at  520  nm  and  580  nm)  of  the 

donor  and  acceptor  channels.  The  filter  position  is  changed  and  controlled  by  the 

computer  and  the  imaging  software  without  affecting  the  imaging  experiments.  The 

motor circuit was designed  to be  stopped directly after changing  to  the  filter position, 

since sudden reversal of the voltage of the motor during spinning can burn out the motor 

and  its  circuit  controller.  For  this  reason  the  filter movement  and  its  related  images 

acquisition were performed every 5 seconds. Preliminary results showed  the possibility 

of  imaging  cAMP  and Ca2+  at  the  same  time  in AME  neurons  (n  =  3)  (Fig. A.2).  these 

attempts provided a new tool as start‐point for further experiments. Application of FSK 

and IBMX  increased both cAMP and Ca2+ baseline  levels. It can be noted that the cAMP 

baseline increased immediately after application of FSK+IBMX associated with rises of the 

Ca2+  baseline.  This  suggested  that  the  calcium  channels  might  be  regulated  through 

cAMP/PKA  pathways  since  activation  of  adenylyl  cyclase AC  leads  to  increased  cAMP, 

Page 140: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Appendix  

120  

which binds to PKA regulatory unit, and then further signaling cascades will regulate the 

influx  of  Ca2+ ions  through  the  calcium  channels, which  resulted  in  a marked  increase 

in calcium concentrations (i.e. Ca2+ increases are mediated by a cAMP/PKA pathway).   

 

  

 

 

 

 

  

Fig. A.1: Schematic representation of the system used for dual FRET and Ca2+ imaging. A motorized automated filter switcher was used to change the position of the filter cube. The motor was moved  in  forward and reverse direction by  trigger circuit. The motor was designed  in  the way that it controlled the movement of the proper filter before exposure to its wavelength. Using Multi Channel  recordings  (Ca2+  imaging:  340  nM  and  380  nM &  FRET:  488 nM), the excitation wavelengths were switched and  fluorescence emission  images were  acquired  one  directly  after  another  for  340  nm  and  380  nm  excitation channels followed by two simultaneously  images of the fluorescence emissions (at 520 nm and 580 nm) of the donor and acceptor channels.  

Filter cube for Calcium Imaging

Filter cube for FRET Imaging

Second

s

Wavelength 

340 380 488

09

Exposure Time30 ms

Exp.  10 ms

Exp. 100 ms

Fura‐2 Filter‐set

Ca+2

 Imaging

F 340/F

380

FRET Filter‐set

cAMP Im

aging

F 520/F

580

00.0100.0200.0300.0400.050

055.0205.0405.0605.0805.100

10

Page 141: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Appendix

121  

 

Fig.  A.2:  Dual  cAMP  and  Ca2+  imaging  from  an  AME  neuron  using  the  microinjected heterochromatic FRET‐Sensor  (Fl‐Cα/DY560‐RIα) and  loaded with  fura‐2 Ca

2+  indicator. Co‐application of forskolin (FSK; 20 µM) and IBMX (20 µM) increases intracellular cAMP‐ and Ca2+ levels in the AME neurons (n = 3). 

0 50 100 150 200 2500.5

1.0

1.5

2.0

0 50 100 150 200 2500.5

1.0

1.5

2.0

Rat

io (F

520/F

580)

Time (sec)

Ca2+

Rat

io (F

340/F

380)

Time (sec)

cAMP

FSK+IBMX

Page 142: A molecular and cellular analysis of the circadian system

Appendix  

122  

Supplementary Figures: 

 

Fig. A.3: The regularly spontaneously active and the silent neurons  in the primary cell cultures of the AME pacemaker of the Madeira cockroach R. maderae. (A) Type 1 AME neurons are spontaneously active with regular Ca2+ transients. (B) Type 2 AME neurons are silent cells with low baseline Ca2+ levels.  

 

 

   

 

Fig. A.4: The silent AME neurons  in the cultured AME pacemaker of the Madeira cockroach were converted  into  regularly  spontaneously  active  state  after PDF  applications.  Silent AME neurons with low Ca2+ baseline levels and without spontaneous activity were switched into active ones with regular and  large‐amplitude Ca2+ transients. Black solid bars  indicate the duration of the drug application. 

0.2

2 min

R/R0

0.2

2 min

R/R0

A

2 min

R/R00.3

PDF 1 µM

BPDF 1 µM PDF 1 µM PDF 1 µM

2 min

R/R00.2

Page 143: A molecular and cellular analysis of the circadian system

 

123  

Acknowledgements  

I  am  thankful  to  almighty ALLAH who has  given me  the power  to  complete  this  thesis.  I 

would  like to thank people who helped and supported me from the first day until finishing 

my  thesis.  I owe deepest gratitude  to my  supervisor Prof. Dr. Monika Stengl, head of  the 

Animal Physiology Dept., Kassel University, who gave me the opportunity to be a member in 

her  laboratory  and  her  continuous  guidance  as  well  as  encouragement  and  interesting 

helpful  suggestions  during  my  work.  My  appreciation    and  special  thanks  to  Prof.  Dr. 

Charlotte Helfrich‐Förster for reviewing this thesis  as well as  Prof. Dr. Friedrich Herberg and 

Prof.  Dr.  Raffael  Schaffrat  for  their  participation  in  the  examination  committee.  I  really 

express my heartfelt  thanks  to  the Egyptian Ministry of Higher Education  (MoHE) and  the 

German Academic Exchange Service (DAAD) for the financial support of my PhD‐scholarship.  

 I  extend my  gratitude  to  Dr.  Hongying Wei  for  the  nice  teamwork  and  sharing  her 

technical experience. I am very grateful to Dr. Achim Werckenthin for helpful comments. My 

special thank is addressed to Christin Sender, Christina Wollenhaupt, Gisela Kaschlaw, Karin 

Große‐Mohr, and Ursula Reichert.  Special thanks to the spirit of Christa Uthof. 

My  thanks  also  go  to  the  all members  of  the  animal  Physiology  Dept.  Institute  of 

Biology,  Kassel  University:  Andreas  Arendt,  Andreas  Nolte,  Azar  Massah,  Hanzy  Yasar, 

Ildefonso Atienza  López,  Julia Gestrich, Dr.  Julia  Schendzielorz,  Kai  Stieger, Marcel Heim, 

Maria Giese, Marius Bartholmai, Nico Funk, Petra Gawalek, Dr. Thomas Schendzielorz, Robin 

Schumann,  Dr.  Wolfgang  W.  Schwippert,  and  all  of  the  other  members  for  productive 

suggestions  and  interesting  discussions.  Also  I  would  like  to  thank  all members  of  the 

Biochemistry Dept. Institute of Biology, Kassel University for collaboration. 

Further, I want to thank my friend Ahmed M. El‐Gabbas for his time and for his critical 

reading  of  the  thesis  and  helpful  suggestions.   Also, many  thanks  extend  to Dr. Wael  R. 

Abdel  Fattah  for  his  effective  comments.  I  am  really  thankful  for my  family  in  Egypt  for 

constant encouragement and support. 

Finally, and most  importantly,  I would  like  to  thank my wife  for her unwavering  love, 

understanding, tolerance, persistent confidence in me, and taking the load off my shoulder 

during the past few years. 

 

Page 144: A molecular and cellular analysis of the circadian system