Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gehirnnervenzellen leisten Nachbarschaftshilfe

07.05.2009
RUB-Forscher beobachten Umorganisation nach einer Verletzung
Aktivitätsmessungen mit spannungsabhängigen Farbstoffen

Nach einer Verletzung der Netzhaut bekommen die entsprechenden Gehirnnervenzellen plötzlich keine Eingangssignale mehr. Untätig bleiben sie deshalb aber nicht: Sie empfangen Signale von ihren Nachbarzellen, verstärken sie und geben sie weiter. Dazu bilden sie in den ersten Wochen nach der Verletzung neue Netzwerke aus - zunächst testweise vorübergehende, später dann bleibende Verknüpfungen.

Diese Vorgänge konnten Forscher der Ruhr-Universität jetzt mit einer neuen Methode beobachten, bei der spannungsabhängige Farbstoffe zum Einsatz kommen. Sie leuchten auf, wenn Zellen elektrische Signale empfangen oder aussenden. Die Forscher berichten in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Nervenzellen sehen um die Ecke

In der Großhirnrinde sind Nervenzellen engmaschig und weitreichend verknüpft: Man schätzt, dass die Gesamtlänge der Verbindungen zwischen den Nervenzellen in einem Kubikmillimeter grauer Gehirnsubstanz bis zu drei Kilometern entspricht. Jede Zelle erhält somit mehrere tausend Eingangssignale und sendet ebenso viele Ausgangssignale an zum Teil weitentfernte Neurone weiter. So breiten sich Erregungen rasch wellenförmig aus. Was passiert aber, wenn plötzlich durch eine Verletzung der Sinnesorgane Teile der üblichen Eingangssignale fehlen? "Da die Verschaltungen zwischen den Nervenzellen in frühen Phasen der Entwicklung gebildet und stabilisiert werden, hat man lange Zeit angenommen, dass das erwachsene Gehirn solche Verletzungen nicht kompensieren kann", so Dr. Dirk Jancke (Institut für Neuroinformatik).

In den vergangenen Jahrzehnten konnten Wissenschaftler jedoch nachweisen, dass auch das erwachsene Gehirn die Fähigkeit zu plastischen Veränderungen hat, wenn auch in begrenztem Umfang: Alte, nicht mehr gebrauchte Kontakte zwischen Zellen werden abgeschwächt oder gelöst, neue bilden sich. "Kortikale Nervenzellen die durch die Netzhautschädigung plötzlich keinen direkten Eingang mehr haben, können durch den Anschluss an ihre noch funktionstüchtigen weiter entfernten Nachbarn zumindest wieder um die Ecke sehen", so Dr. Jancke. Experimentell sichtbar wird dieser Prozess bereits wenige Wochen nach der Verletzung, wenn Aktivitätswellen aus der intakten Umgebung verstärkt in die betroffenen Bereiche vordringen.

Optische Messung mit spannungsabhängigen Farbstoffen

Ältere Messverfahren, die die elektrische Aktivität der Nervenzellen auswerten, können nur summierte Signale darstellen. Die neue Methode ist sensibler: Es erscheinen auch latente Eingangssignale fluoreszierend. "Mit unserem neuen bildgebenden Verfahren haben wir erstmals die lange vermutete fortschreitende Ausbreitung und Verstärkung von zunächst unterschwelligen Aktivitätswellen in die betroffenen Bereiche gezeigt", erklärt Dr. Jancke. Bei dem optischen Messverfahren werden graduelle synaptische Potentialänderungen, die bei Aktivität von Nervenzellen entstehen, als Änderungen der Intensität fluoreszenten Lichts registriert. Dabei wird ein Farbstoff genutzt, der in Zellwände eingebaut wird und proportional zur Spannung über der Zellwand Photonen aussendet. Ein hochauflösendes Kamerasystem detektiert diese Lichtsignale, die dann durch nachfolgende Rechenoperationen visualisiert werden können. Die Farbstoffe und die Grundlagen der Messtechnik wurden im Labor von Prof. Grinvald, Weizmann Institute of Science, Israel entwickelt. Während seiner zweijährigen Arbeiten in Israel, gelang Dr. Jancke die Darstellung von Aktivitätswellen in der visuellen kortikalen Sehrinde und erstmalig die Beschreibung ihrer Bedeutung für visuelle Wahrnehmungsprozesse (siehe auch http://www.pm.ruhr-uni-bochum.de/pm2004/msg00094.htm). Im Rahmen seiner Juniorprofessur "Kognitive Neurobiologie, Fakultät für Biologie und Biotechnologie", etablierte Dr. Jancke dieses neue bildgebende Verfahren an der RUB.

Fakultätsübergreifende Kooperation an der RUB

Die aktuelle Studie baut auf Arbeiten des RUB-Mediziners Prof. Dr. Ulf Eysel auf, einem der Pioniere und führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet neuronaler Plastizität, die er in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck Institut für Neurobiologie in München angefertigt hatte (siehe auch http://www.pm.rub.de/pm2008/msg00260.htm). Die Ergebnisse zeigten, dass sich nach einer kleinen punktförmigen Netzhaut-Verletzung in der Großhirnrinde von Mäusen dreimal so viele neue Nervenfortsätze, sog. "spines", bilden. Dabei wurden neu entstandene Zellkontakte oftmals wieder gelöst, bis sich schließlich stabile Verbindungen etabliert hatten. Es lag nahe, nun den Zusammenhang zwischen diesem massiven Umbau neuronaler Strukturen und den Veränderungen von Aktivitätsdynamiken in größeren Zellverbänden zu untersuchen. Ganna Palagina, Stipendiatin der International Graduate School (IGSN) an der Ruhr-Universität, machte diese Frage zum Thema ihrer Doktorarbeit. Für die aktuelle Studie, die sie an Ratten durchführte, pendelte sie über zwei Jahre lang zwischen zwei Arbeitsplätzen: einem im Labor der Abteilung für Neurophysiologie bei Prof. Eysel, in dem die genau lokalisierten Netzhautverletzungen erzeugt wurden, und dem zweiten im Optical Imaging Labor bei Dr. Jancke in der Biologie, um die optischen Messungen mit spannungsabhängigen Farbstoffen durchzuführen.

Titelaufnahme

Palagina G., Eysel U.T., Jancke D.: Strengthening of lateral activation in adult rat visual cortex after retinal lesions captured with voltage-sensitive dye imaging in vivo. Proc. Nat. Acad. Sci. (USA), 6. May, 2009. doi:10.1073/pnas.0900068106

Weitere Informationen

Dr. Dirk Jancke, Kognitive Neurobiologie, Bernstein Group for Computational Neuroscience, Institut für Neuroinformatik, Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-27845 (office), -24369 (lab); email: dirk.jancke@rub.de; homepage: http://homepage.ruhr-uni-bochum.de/Dirk.Jancke/

Redaktion: Meike Drießen

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/
http://homepage.ruhr-uni-bochum.de/Dirk.Jancke/
http://www.pm.rub.de/pm2008/msg00260.htm

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
22.09.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Lebendiges Gewebe aus dem Drucker
22.09.2017 | Universitätsklinikum Freiburg

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: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie