Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Flimmerhärchen im Gehirn - mit dem Strom ans Ziel

08.07.2016

Wenn wir uns den Kopf anstoßen, geht das meist harmlos aus. Dies verdanken wir den mit Flüssigkeit gefüllten Hirnkammern in unserem Gehirn. Das Hirnwasser hat aber weit mehr als eine Schutzfunktion: Es entfernt Müll, versorgt unser Nervengewebe mit Nährstoffen und transportiert Botenstoffe. Doch wie diese Botenstoffe an ihr Ziel befördert werden, ist noch ungeklärt. Forscher haben nun herausgefunden, dass Flimmerhärchen den Weg weisen könnten: Ihre Schlagbewegungen erzeugen Ströme, die wie Förderbänder fungieren und darüber molekulare „Fracht“ transportieren. Die Ergebnisse der Wissenschaftler lassen vermuten, dass diese Ströme Botenstoffe gezielt an ihre Wirkorte im Gehirn weiterleiten.

Oberfläche spezialisierter Zellen im Inneren unseres Körpers machen diesen buchstäblich zu einer haarigen Angelegenheit. Flimmerhärchen befreien unsere Atemwege von Staub, Schleim und Krankheitserregern; transportieren Eizellen durch den Eileiter, und Spermien bewegen sich mit ihrer Hilfe vorwärts.


Strömungskarte im dritten Ventrikel des Maushirns. Linien symbolisieren Ströme entlang der Ventrikelwand. Pfeile veranschaulichen die Hauptstromrichtungen in einzelnen Bereichen.

Regina Faubel, Hartmut Sebesse / Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Auch die vier Hirnkammern in unserem Gehirn – die sogenannten Ventrikel – werden von einer Schicht hoch spezialisierter Zellen ausgekleidet, die auf ihrer Oberfläche mit Bündeln von Flimmerhärchen besetzt sind. Zwar ist jedes einzelne von ihnen nur wenige tausendstel Millimeter groß. Doch wenn Hunderte von ihnen im Gleichklang peitschenartig schlagen, können diese Härchen kräftige Ströme erzeugen.

Gregor Eichele und Regina Faubel vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie ist es gemeinsam mit Eberhard Bodenschatz und Christian Westendorf vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation jetzt gelungen, das komplexe Netzwerk dieser Ströme in isoliertem Hirnkammergewebe sichtbar zu machen. Für ihre Untersuchungen konzentrierten sich die Göttinger Forscher auf die dritte Hirnkammer, die in den Hypothalamus eingebettet ist.

„Der Hypothalamus ist eine sehr wichtige Schaltzentrale. Er steuert beispielsweise Kreislauf und Körpertemperatur, aber auch Sexualverhalten, Nahrungsaufnahme und Hormonhaushalt. Es gibt daher einen umfangreichen Transport von Botenstoffen über das Hirnwasser vom und zum Hypothalamus“, erklärt Gregor Eichele, Leiter der Abteilung Gene und Verhalten am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie.

Leuchtende Kügelchen unter dem Mikroskop

Die Flüssigkeitsbewegung lässt sich allerdings unter einem Mikroskop nicht direkt beobachten. Um diese sichtbar zu machen, entwickelte Regina Faubel, wissenschaftliche Mitarbeiterin in Eicheles Abteilung, einen neuen experimentellen Ansatz mit isoliertem Hirnkammergewebe aus der Maus. In der Kulturschale injizierte sie dem Nervengewebe winzige fluoreszierende Kügelchen, die daraufhin als Leuchtmarker mit dem Nährmedium mitschwammen.

Nachfolgend erfasste die Wissenschaftlerin den Weg eines jeden Kügelchens innerhalb des Nervengewebes unter dem Mikroskop. Mithilfe eines von ihrem Kollegen Christian Westendorf eigens dafür entwickelten Computerprogramms setzten die Forscher die umfangreichen Daten dann zu einem wissenschaftlich auswertbaren Bild zusammen.

„Wir sehen auf diesen Bildern ein komplexes Netz von ‚Flüssigkeitsstraßen’ entlang der Innenseite der Hirnkammer. Doch anders als das Blut, das durch unsere Blutgefäße fließt, sind diese Straßen nicht durch Wandungen begrenzt. Die spannende Frage für uns war daher: Wird das Strömungsmuster allein durch das synchronisierte Schlagen der Flimmerhärchen erzeugt?“, berichtet Regina Faubel, Erstautorin der Studie. Im nächsten Schritt filmten die Wissenschaftler die Flimmerhärchen daher live in Aktion und bestimmten die Schlagrichtung der Flimmerhärchen sowie die daraus resultierende Strömung.

„Unsere Experimente haben gezeigt, dass die Ströme tatsächlich allein durch die Bewegungen der Härchen erzeugt werden. Diese funktionieren wie Förderbänder und wären damit durchaus in der Lage, Botenstoffe an den richtigen Ort im Gehirn zu transportieren“, so Eberhard Bodenschatz, Leiter der Abteilung Hydrodynamik, Strukturbildung und Biokomplexität am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. „Auch könnten die Ströme dazu beitragen, Substanzen lokal zu begrenzen, indem die gegeneinander verlaufenden Flüssigkeitsstraßen wie Barrieren wirken“, ergänzt Christian Westendorf, Zweitautor der Studie.

Wechselnde Strömungsrichtungen

Doch anders als das Straßennetz, in dem wir uns tagtäglich mit dem Auto oder Fahrrad bewegen, sind diese Flüssigkeitsstraßen keinesfalls starr. Zur Überraschung der Forscher wechselten die Härchen in einem zeitlichen Rhythmus ihre Schlagrichtung. Nach vorherrschender Lehrmeinung gilt die Schlagrichtung der Flimmerhärchen jedoch als unveränderbar.

„Im Hirnwasser bei uns Menschen gibt es Hunderte, wenn nicht sogar Tausende physiologisch wirksamer Substanzen“, wie Eichele betont. „Das von uns entdeckte Netzwerk von Strömen spielt vermutlich eine wichtige Rolle, um diese Stoffe zu verteilen. In weiteren Versuchen möchten wir aufklären, welche Botenstoffe über die Ströme transportiert und wo diese schließlich im Gewebe deponiert werden.“ „Auch ist das Verständnis von der Physik der Strömungsdynamik der Flimmerhärchen selbst ein Forschungsziel“, sagt Bodenschatz.

Original-Veröffentlichung:
Regina Faubel, Christian Westendorf, Eberhard Bodenschatz, Gregor Eichele: Cilia-based flow networks in the brain ventricles. Science 353, 176-1788 (8. Juli 2016), DOI: 10.1126/science.aae0450

Kontakt:
Prof. Dr. Gregor Eichele, Abteilung Gene und Verhalten
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen
Tel.: +49 551 201-2701
E-Mail: gregor.eichele@mpibpc.mpg.de

Prof. Dr. Eberhard Bodenschatz, Abteilung Hydrodynamik, Strukturbildung und Biokomplexität
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen
Tel.: +49 551 5176-300
E-Mail: eberhard.bodenschatz@ds.mpg.de

Weitere Informationen:

http://www.mpibpc.mpg.de/15410396/pr_1623 – Original-Pressemitteilung vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie
http://www.mpibpc.mpg.de/de/eichele – Webseite der Abteilung Gene und Verhalten,
http://Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie
http://www.lfpn.ds.mpg.de – Webseite der Abteilung Hydrodynamik, Strukturbildung und Biokomplexität, Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Dr. Carmen Rotte | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten