Abstract The amine serotonin has been suggested to play a key role in aggression in many species of animals

through the use of picrotoxin. A complex pattern of

nerve evoked excitatory synaptic responses is evoked by

connective stimulation. Included in the pool of axons

that trigger the excitatory responses in A1 cells are the

rapidly conducting lateral (LG) and medial (MG) giant

axons (HoÈrner et al. 1997). As in cray®sh, the LG and

MG axons are believed to be used in escape, and pos-

sibly in ®ghting behavior in lobsters. They are command

interneurons, that in cray®sh act through a segmental

giant interneuron to trigger the readout of escape motor

programs from the ventral nerve cord (Roberts et al.

1982). The LG and MG axons generate long, slow

EPSPs in A1-5HT cells (durations of up to several

hundred milliseconds) that usually trigger action po-

tentials. The latter often arise from a plateau in the

synaptic response.

System properties of serotonergic neurons

Gain setter role in postural regulation

The experiments that began our explorations of the roles

of amines in aggression in lobsters (Livingstone et al.

1980), showed that injections of 5HT and OCT into

living animals triggered the appearance of opposing

static postures that resembled those seen in dominant

and subordinate animals. Serotonin injections triggered

the appearance of tall-standing dominant-looking ani-

mals, in which the postural ¯exor muscles were con-

tracted and the extensors were relaxed, while

octopamine injections resulted in low to the substrate

subordinate-looking animals showing the opposite pro-

®le of muscular responses. Studies with the isolated

nervous system and bath applied amines yielded similar

results: the two amines activated opposing motor pro-

grams. These studies were the origin of our suggestions

that dominance status might be associated with en-

hanced serotonergic neuron function in lobsters, while

subordinate status might result from or might lead to

enhanced octopaminergic neuron function.

To test these suggestions we felt it ®rst necessary to

®nd candidate amine neurons in the lobster CNS, then

de®ne their physiological properties, and ®nally ask

whether the properties of these cells or their targets

changed with changes in social status. The studies ulti-

mately focused on the T5- and A1-5HT neurosecretory

neurons for two reasons: (1) the cells appeared to be the

major source of 5HT circulating in the hemolymph, and

the only route to peripheral tissues responsive to amines

like the exoskeletal muscles and sensory neurons (Beltz

and Kravitz 1987; Glusman and Kravitz 1982; Goy and

Kravitz 1989; Pasztor and Bush 1989); and (2) since the

cells were the source of 5HT acting on muscles, but also

had sets of central endings, we felt that they might be

important in postural regulation as well, which was the

initial observed e€ect of amine injection. In particular,

we were concerned with whether the ®ring of these ser-

otonergic neurosecretory cells produced the same e€ect

as injected or bath applied 5HT. In other words, when

activated, did these cells trigger the appearance of a

dominant-looking stance in lobsters? We attempted to

address these questions in isolated tissue preparations by

®ring the A1- and T5-5HT neurosecretory neurons using

intracellular electrodes while recording from the nerve

trunks innervating the postural ¯exor and extensor

muscles in order to monitor the patterns of ®ring of the

excitatory and inhibitory motoneurons innervating the

muscles.

The result we obtained, however, was initially dis-

appointing. We found that increasing or decreasing the

rates of ®ring of single A1- or T5-5HT neurons neither

increased nor decreased the rates of ®ring of motoneu-

rons. With further study, however, the roles of these

neurons in postural control pathways turned out to be

much more interesting than simply serving to turn on or

o€ particular motoneurons. This was shown in experi-

ments in which ¯exor and extensor command neurons

were activated. Such neurons are identi®ed by teasing

®bers out of connectives of the ventral nerve cord,

stimulating them at high frequency and triggering the

readout of motor programs from the CNS. Flexor

commands increase the rates of ®ring of excitatory

neurons to ¯exors and inhibitory neurons to extensors,

while simultaneously decreasing the ®ring of excitatory

neurons to extensors and inhibitory neurons to ¯exors.

The net result of ®ring a ¯exor command, therefore, is to

cause animals to go into a ¯exed posture, which makes

them stand tall (in intact animals), just as dominant

animals do in approaching a subordinate. Extensor

commands do just the opposite, triggering postures

resembling those seen in subordinate animals.

Fig. 3 The gain-setter role of A1-5HT neurons. Flexor command

neurons excite tonic ¯exor muscles and inhibit tonic extensors through

activation of central motor programs. The same command neurons

increase the rate of ®ring of A1-5HT cells, which enhances the output

of the command through release of 5HT within the central nervous

system (CNS) and increases the strength of contraction of muscle

®bers through release of 5HT into the general circulation (see text).

Thus these spontaneously active neurons act as ``feed forward''

ampli®ers. Further details are presented in the text and see Ma et al.

(1992)

227

---

By simultaneously isolating ¯exor command neurons

for stimulation from abdominal connectives, and re-

cording from A1- and T5-5HT cells with intracellular

electrodes, and nerve roots with extracellular electrodes,

it was possible to de®ne the role of 5HT neurosecretory

neurons in postural control circuitries (Beltz and Kravitz

1987; Ma et al. 1992). Flexor commands tended to excite

the 5HT neurons, which in turn enhanced the output of

the command. This was demonstrated by either allowing

the 5HT cell to ®re upon command activation, or pre-

venting the cell from ®ring by passing current through

the intracellular electrode. Since the 5HT neurosecretory

neurons have peripheral and central sets of ending, these

neurons not only enhance the command output via

central actions, they also enhance motor e€ectiveness

through their pre- and post-synaptic actions on neuro-

muscular preparations (Glusman and Kravitz 1982;

Dixon and Atwood 1989; Goy and Kravitz 1989). This is

diagrammed in Fig. 3, which illustrates what we have

termed the ``gain-setter'' role of these neurons. They in

essence act as ``feed-forward'' ampli®ers. If instead of

exciting a ¯exor command neuron, we ®re an extensor

command (these elicit opposite postures to the ¯exor

commands), then the 5HT cells are inhibited. However,

if we force the 5HT cells to ®re by depolarizing the cell

through the intracellular electrode while activating an

extensor command, then the 5HT cells enhanced the

output of the extensor circuitry as well. Thus, the cells

are ``general'' gain-setters, capable of enhancing ¯exor

or extensor motor output, but the circuitry determines

that they are used only to enhance the appropriate

behavioral responses.

Changes in amine neuron function with changes

in social status

Sensory input to LG neurons

The ®rst clear demonstration of an important e€ect of

social status on synaptic responsiveness to amines comes

from elegant experiments from the Edwards laboratory

(Yeh et al. 1996, 1997) in which they examined the ac-

tions of 5HT on the modulation of synaptic transmis-

sion between mechanosensory a€erents of the tailfan

and the LG neuron in cray®sh. In these animals, acti-

vation of mechanosensory a€erents leads to a complex

pattern of synaptic activity in LG neurons. The activity

can be broken into a series of components (a, b, c) de-

pending on whether the activation is monosynaptic and

direct, or is through interneurons. In all cases, the input

to the LG neuron is mainly through rectifying electrical

synaptic contacts. Amines were found to modulate this

synaptic input some time ago (Glanzman and Krasne

1983), but the modulation was only recently found to be

dependent on the social status of the animals (Yeh et al.

1997). Cray®sh were divided into three groups for these

studies: isolates, dominants, and subordinates. Isolates

were animals housed alone for 1 month or longer, while

dominant/subordinate pairs were generated by housing

animals together for 12 days or longer. In isolates and in

dominant animals, 5HT had a facilitating e€ect on

synaptic transmission between the sensory a€erents and

the LG, while in subordinate animals, 5HT reduced the

magnitude of the synaptic response. Moreover the fa-

cilitation by 5HT of the response in isolates and domi-

nants was thought to be through di€erent kinds of

receptors, as suggested by di€erences in the duration of

the response to 5HT. The changes from the kinds

of modulation seen in isolates to that seen in dominants

and subordinates occurred linearly over a 12-day period,

suggesting a gradual change in receptor subtype distri-

bution with the pairing of the animals. Reversals of the

changes caused by the pairings of animals could be

brought about by new pairings of animals (losers with

losers, winners with winners), but the time required for

change depended on the direction of the change. It took

longer for winners to revert to the loser pattern than for

losers to change to the winner pattern.

While it is not yet clear how such changes contribute

to the behavioral di€erences seen between dominant and

subordinate animals, recent experiments on synaptic

activation of the A1-5HT cells in lobsters (described

above, HoÈrner et al. 1997), may give some insights into

how these changes ®t into the underlying circuitry (see

Fig. 4). Mechanosensory a€erents excite LGs, which in

turn trigger the activation of motor programs for up-

wards and backwards movements used by animals in

escape, but possibly also used in ®ghting behavior. At

least such movements are a prominent part of the high-

level aggression seen in lobster ®ghts. In lobsters, LG

neurons also excite the A1-5HT cells (see above), usually

causing the cells to ®re. This should release 5HT both

within central neuropil regions where it may enhance

motor output, and into the general circulation from

peripheral release sites where it acts on both tonic and

phasic muscles to enhance their e€ectiveness (Glusman

and Kravitz 1982; Harris-Warrick and Kravitz 1984).

The 5HT also may reach ganglionic sites by release into

the general circulation, but this has not yet been dem-

onstrated. Thus, the circuitry from mechanosensory

neurons to LG to A1-5HT cells to release of 5HT should

be more ecient in dominant and less ecient in sub-

ordinate animals in the presence of 5HT. How this

serves in the behavior remains unknown.

In another series of studies in cray®sh, an altered

excitability is seen in the ®ring of the LG neuron in

animals of di€erent social status (Krasne et al. 1997).

The excitability of the LG falls substantially in subor-

dinate animals, but only slightly in dominants. How and

if this interesting e€ect relates to serotonergic neuron

function, however, remains unknown.

Serotonin in ®ghting behavior in lobsters

In studies using paired socially naõÈve juvenile lobsters,

Huber and Kravitz (1995) devised a quantitative method

228

---