In many axonal populations, neurons first project exuberant branches and form excessive synapses with their target, before the surplus contacts are eliminated in an activity-dependent manner. The cessation of such developmental plasticity correlates with the onset of myelination, forming a precise, efficient and stable neuronal network. How the two processes – myelination and branch loss – relate to each other at the level of single axonal branches, however, remains largely unknown. The aim of my PhD project was to gain insights into this important interaction, by studying synapse elimination and myelination at the developing mouse neuromuscular junction (NMJ). Here excessive axonal branches are removed from multiply innervated NMJs in an activity-dependent manner until single innervation is established, while a simple and invariable myelination pattern forms, with individual glial (Schwann) cells being exclusively dedicated to sheathing one single axonal branch, which thereby becomes fully myelinated. To investigate this phenomenon, I used pharmacological means, as well as genetic manipulations in knock-out and transgenic mice to screen for factors possibly influencing the remodeling process. Local pharmacological inhibition of cholinergic neurotransmission, which blocks the early stages of synapse elimination, also delayed myelination, suggesting that both processes depend either on each other, or on normal neuromuscular activity. I then used markers for labeling myelination progress, and developed a new assay to measure maturation of the nodes of Ranvier. A more detailed characterization of branch-specific myelination patterns demonstrated that indeed, axon branches that are still engaged in synaptic competition and hence remain plastic show delayed myelination and node maturation. However, when I directly correlated the progress of axon dismantling and myelination at single branches, and induced premature myelination by transgenic overexpression of the pro-myelinating factor, neuregulin (NRG1-III), I found surprisingly that myelination of competing branches does not significantly affect pruning, and that such myelinating branches can still be dismantled. On the other hand, genetic ablation of the microtubule severing enzyme Spastin, which results in a delay of axon branch removal after competition, led to increased myelination of competing branches, suggesting the possible effect of competition status via microtubule dynamics and axonal transport on myelination. Together the data points to a model of activity-dependent synapse elimination mediated by branch-specific microtubule dynamics, which in turn modulate transport of myelinating factors such as NRG1-III, leading to a coordinated succession of myelination shortly after competition resolves.     «

In many axonal populations, neurons first project exuberant branches and form excessive synapses with their target, before the surplus contacts are eliminated in an activity-dependent manner. The cessation of such developmental plasticity correlates with the onset of myelination, forming a precise, efficient and stable neuronal network. How the two processes – myelination and branch loss – relate to each other at the level of single axonal branches, however, remains largely unknown. The aim of m...     »

In vielen axonalen Populationen senden Neuronen zunächst überzählige Verzweigungen in ihr Zielgebiet und bilden überschüssige Synapsen aus bevor diese Kontakte aktivitätsabhängig eliminiert werden. Der Abschluss dieser entwicklungsbedingten Plastizität korreliert mit dem Beginn der Bildung von Myelin (Myelinisierung) und trägt somit zur Ausbildung eines präzisen, effizienten und stabilen neuronalen Netzwerks bei. Wie die beiden Prozesse – Myelinisierung und Synapseneliminierung – auf der Ebene einzelner axonaler Verzweigungen miteinander in Beziehung stehen, ist jedoch weitgehend unbekannt. Das Ziel meiner Doktorarbeit war dementsprechend, Synapseneliminierung und Myelinisierung an der sich entwickelnden neuromuskulären Endplatte (NMJ) der Maus zu untersuchen und Einblicke in diese wichtige Interaktion zu gewinnen. Hier werden überschüssige axonale Äste von multi-innervierten NMJs entfernt während ein einfaches und unveränderliches Myelinmuster entsteht; dabei ummanteln einzelne Gliazellen (Schwann-Zellen) ausschließlich einen einzelnen axonalen Ast, sodass alle axonale Äste einzeln innerviert und vollständig myelinisiert werden. Ich verwendete sowohl pharmakologische als auch genetische Manipulationen in Knock-out und transgenen Mäusen, um dieses Phänomen und die Faktoren, welche möglicherweise den Remodellierungsprozess beeinflussen, zu untersuchen. Lokale pharmakologische Hemmung von cholinerger Neurotransmission, welches frühe Stadien der Synapseneliminierung beeinflusst, verzögerte auch die Myelinisierung, was darauf hindeutet, dass beide Prozesse entweder voneinander oder von der normalen neuromuskulären Aktivität abhängen. Daraufhin verwendete ich Marker um die Entwicklung von Myelinisierung zu beobachten und entwickelte einen neuen Test zur Messung der Reifung von Ranvier’schen Schnürringen. Diese Untersuchungen ergaben, dass axonale Äste, die immer noch an synaptischer Konkurrenz beteiligt sind und daher plastisch bleiben, eine verzögerte Myelinisierung und Schnürringreifung zeigten. Wenn ich jedoch den Fortschritt des Axonabbaus und der Myelinisierung von einzelnen Axonzweigen direkt korrelierte und eine vorzeitige Myelinisierung durch Überexpression des pro-myelinisierenden Proteins Neuregulin (NRG1-III) induzierte, fand ich überraschenderweise, dass die Myelinisierung den Synapseneliminierungsprozess nicht signifikant beeinflusst und dass solch myelinisierende Zweige noch abgebaut werden können. Andererseits führte die genetische Ablation des Mikrotubuli-destabilisierenden Enzyms Spastin, welches zu einer Verzögerung des axonalen Abbaus als letztem Schritt der Synapsenelimination führt, zu einer erhöhten Myelinisierung konkurrierender axonaler Äste. Dies deutet darauf hin, dass der Konkurrenzstatus einen Effekt auf die Myelinisierung hat, womöglich über die Dynamik von Mikrotubuli und axonalen Transport. Zusammengefasst deuten die Daten auf ein Modell der aktivitätsabhängigen Synapseneliminierung hin, die durch astspezifische Mikrotubulidynamiken vermittelt wird, die wiederum den Transport von Myelinisierungsfaktoren wie NRG1-III moduliert, was zu einer koordinierten Myelinisierung kurz nach dem Ende der Phase synaptischer Plastizität.     «

In vielen axonalen Populationen senden Neuronen zunächst überzählige Verzweigungen in ihr Zielgebiet und bilden überschüssige Synapsen aus bevor diese Kontakte aktivitätsabhängig eliminiert werden. Der Abschluss dieser entwicklungsbedingten Plastizität korreliert mit dem Beginn der Bildung von Myelin (Myelinisierung) und trägt somit zur Ausbildung eines präzisen, effizienten und stabilen neuronalen Netzwerks bei. Wie die beiden Prozesse – Myelinisierung und Synapseneliminierung – auf der Ebene e...     »