Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nervenzellen wachsen in Reih' und Glied

15.04.2010
Kulturen auf mikrostrukturierten Platten ermöglichen gezielte Experimente an Synapsen

Um komplexe Organe wie das Gehirn oder das Nervensystem verstehen zu können, bedarf es vereinfachter Modelle. Eine originelle Möglichkeit, Nervenzellen in einer Kultur geordnet wachsen zu lassen und daran grundlegende Mechanismen des Gedächtnisses zu erforschen, hat eine Arbeitsgruppe um die Frankfurter Hirnforscherin Erin Schuman erfolgreich entwickelt.

Die Forscher ließen zwei voneinander getrennte Populationen von Nervenzellen auf einer fotolithografisch strukturierten Platte aufwachsen. Diese Nervenzellen breiteten ihre Nervenfortsätze durch feine Mikrokanäle aus, trafen aufeinander und gingen synaptische Verbindungen ein.

Senkrecht zu den Mikrokanälen wurde ein Versorgungskanal eingebaut, der es den Forschern ermöglichte, kleinste Populationen von Synapsen mittels Substanzen oder Neurotransmittern zu beeinflussen. Die Kammern sind zugänglich für Bildgebende Verfahren, wodurch die Forscher die Dynamik der Synapsen, die Bewegung der Moleküle innerhalb der Nervenzellen sichtbar machen können.

Nervenzellen in Kultur zu untersuchen ermöglicht es, das komplexe dreidimensionale Geflecht in lebenden Organismen auf zwei Dimensionen zu reduzieren. Allerdings wachsen die Zellen auch im Labor völlig ungeordnet, was ein systematisches Studium erschwert. Nervenzellen bestehen aus einem Zellkörper, der Signale über einen langen Fortsatz (Axon) an die Nachbarzellen weiterleitet. Kürzere Fortsätze (Dendriten), nehmen die eingehenden Signale auf.

Während die Reizleitung entlang des Axons und der Dendriten auf elektrischem Weg geschieht, werden die Kontaktstellen zwischen zwei Nervenzellen, die Synapsen, durch biochemische Signale überbrückt. Zu verstehen, wie Synapsen sich bilden und welche Neurotransmitter dabei eine Rolle spielen, ist nicht nur für die Hirnforschung interessant, sondern kann auch der Entwicklung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe dienen.

Nachdem sie gezeigt hatten, dass sich in den etwa 150 Kanälen auf der Platte funktionsfähige Synapsen bilden, entwickelten die Hirnforscher die Anordnung weiter, um die Synapsen gezielt stimulieren zu können. Dabei nutzten sie aus, dass Dendriten in der Kultur eine charakteristische Länge erreichen, so dass die Kontaktstellen mit den Axonen der benachbarten Zellpopulation etwa im gleichen Abschnitt der Mikrokanäle entstehen. Dort brachte die Gruppe einen weiteren Mikrokanal an, der die interessierende Region senkrecht zu den "Nervenkanälen" durchzieht. Durch diesen Versorgungskanal können die Synapsen direkt über gelöste Substanzen beeinflusst werden.

Eine weitere Verfeinerung der Versuchsanordnung bestand darin, das Einsickern der biochemisch wirksamen Flüssigkeit vom Versorgungskanal in die Kanäle mit den Nervenfasern einzuschränken, einzusickern. Dies erreichten Schuman und ihre Mitarbeiter, indem sie zu beiden Seiten des Hauptstroms eine Lösung einströmen ließen, die den Hauptstrom abschirmte. Die drei parallel zueinander fließenden Strömungen haben zusätzlich den Vorteil, dass man die biochemisch wirksame Substanz genau dosieren kann, indem man die Breite des mittleren Strahls variiert. Auch kann die Menge der wirksamen Substanzen zeitlich gut reguliert werden: Innerhalb einer Minute lässt sich die Zufuhr ein- und ausschalten. So ist es möglich, die Kurzsignale nachzuahmen, die die Sprache des Nervensystems sind.

Erin Schuman, die vor einigen Monaten vom renommierten California Institute of Technology (Caltech) an das Frankfurter Max-Planck-Institut für Hirnforschung wechselte, interessiert die Funktion der Synapsen im Zusammenhang mit der Gedächtnisleistung. Wie verändern sich die Synapsen um einen Gedächtniseindruck zu speichern? Welche Änderungen laufen dabei auf molekularer und zellbiologischer Ebene ab? Ihre Gruppe entdeckte vor Jahren, dass Dendriten in der Lage sind, die Proteine herzustellen, die benötigt werden, um die funktionale Kapazität von Synapsen zu verändern. Der Zellkern transkribiert die benötigte Information als Boten-RNA (mRNA), die dann an die Dendriten weitergeleitet wird. Sobald bestimmte Signale eingehen, übersetzen die Dendriten die mRNA in Proteine.

An Frankfurt reizt die gebürtige Kalifornierin nicht nur die Möglichkeit, gemeinsam mit ihrem Mann, dem Hirnforscher Gilles Laurent, das Max-Planck-Institut für Hirnforschung zu leiten (der andere Direktor ist Wolf Singer). Auch die Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Exzellenzclusters "Makromolekulare Komplexe" an der Goethe-Universität, dem Schuman als "Principle Investigator" verbunden ist, verspricht viele interessante Kooperationen, beispielsweise mit der Paul-Ehrlich-Nachwuchspreisträgerin Amparo Acker-Palmer oder dem Heisenberg-Professor Alexander Gottschalk. Was das neue Gebäude des MPI für Hirnforschung betrifft, so hat die Mutter zweier Töchter im Alter von zehn und sieben Jahren schon einen Plan: "Viele Mitarbeiter am Institut haben Kinder, die über ihre Eltern schon früh mit Wissenschaft in Kontakt kommen. Wir möchten das neue Institut ebenfalls familienfreundlich gestalten. Wir würden gerne Wissenschafts-Samstage einrichten, damit unsere Kinder erfahren, wie aufregend es ist, selbst etwas zu erkunden."

Publikation:
Anne M Taylor, Ph.D.; Daniela C Dieterich, Ph.D.; Hiroshi T Ito; Erin M Schuman; Microfluidic local perfusion chambers for the visualization and manipulation of synapses, Neuron (2010), doi:10.1016/j.neuron.2010.03.022.

Informationen: Prof. Erin Schuman, Max-Planck-Institut für Hirnforschung und Exzellenzcluster Makromolekulare Komplexe, Campus Riedberg, Tel.: (069) 506820-1022, schumane@brain.mpg.de.

Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 1914 von Frankfurter Bürgern gegründet, ist sie heute eine der zehn drittmittelstärksten und größten Universitäten Deutschlands. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein einzigartiges Maß an Eigenständigkeit. Parallel dazu erhält die Universität auch baulich ein neues Gesicht. Rund um das historische Poelzig-Ensemble im Frankfurter Westend entsteht ein neuer Campus, der ästhetische und funktionale Maßstäbe setzt. Die "Science City" auf dem Riedberg vereint die naturwissenschaftlichen Fachbereiche in unmittelbarer Nachbarschaft zu zwei Max-Planck-Instituten. Mit über 55 Stiftungs- und Stiftungsgastprofessuren nimmt die Goethe-Universität laut Stifterverband eine Führungsrolle ein.

Herausgeber: Der Präsident
Abteilung Marketing und Kommunikation, Postfach 11 19 32,
60054 Frankfurt am Main
Redaktion: Dr. Anne Hardy, Referentin für Wissenschaftskommunikation
Telefon (069) 798 - 2 92 28, Telefax (069) 798 - 2 85 30,
E-Mail hardy@pvw.uni-frankfurt.de

Dr. Anne Hardy | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-frankfurt.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Kaltwasserkorallen: Versauerung schadet, Wärme hilft
27.04.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Auf dem Gipfel der Evolution – Flechten bei der Artbildung zugeschaut
27.04.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

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: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

VLC 200 GT von EMAG: Neue passgenaue Dreh-Schleif-Lösung für die Bearbeitung von Pkw-Getrieberädern

27.04.2017 | Maschinenbau

Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten

27.04.2017 | Maschinenbau

Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

27.04.2017 | Informationstechnologie