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 Mikro-U-Boote für den Magen
24.01.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Echoortung - Lernen, den Raum zu hören
24.01.2017 | 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: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie