Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Mikroskop entziffert Schaltkreise des Auges

10.03.2011
Ganglionzellen können dank Amakrinzellen Richtungen erkennen

Damit das Auge die Eigenschaften optischer Reize effizient an das Gehirn weiterleiten kann, werden diese Informationen bereits im Auge vorverarbeitet. Manche so genannte Ganglionzellen, die die Sehinformation über den Sehnerv ins Gehirn leiten, reagieren beispielsweise nur auf Lichtreize, die sich in eine bestimmte Richtung bewegen.


Aus seriellen elektronenmikroskopischen Oberflächenbildern rekonstruierte Zellen und Synapsen: Eine einzelne „starburst“ Amakrinzelle (gelb, mit ihrem synaptischen Verdickungen) und zwei richtungsemfindliche Ganglienzellen (grün). Trotz erheblichem Dendritenüberlapp mit beiden Zellen knüpft sie ausschließlich Verbindungen (magenta) zur rechten Ganglienzelle. Kevin Briggman

Diese Richtungsselektivität wird durch hemmende Interneurone erzeugt, die mit ihren Synapsen die Aktivität der Ganglionzellen beeinflussen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg haben nun mittels einer neuen, dort entwickelten Mikroskopiemethode herausgefunden, dass die Synapsen zwischen Ganglionzellen und Interneuronen nach ganz speziellen Regeln verteilt sind. Mit einer Ganglienzelle verbinden sich nur solche Dendriten-Fortsätze, die entgegengesetzt der bevorzugten Richtung der Ganglionzelle vom Zellkörper der Amakrinzelle ausgehen.

Die Sinneszellen in der Netzhaut des Wirbeltier-Auges wandeln Lichtreize in elektrische Signale um und leiten sie über nachgeschaltete so genannte Interneurone zu den Ganglionzellen und von dort ins Gehirn. Die Interneurone sind so miteinander verschaltet, dass die einzelnen Ganglionzellen Sehinformation von einem kreisförmigen Ausschnitt des Sehfeldes erhalten – dem so genannten rezeptiven Feld. Manche Ganglionzellen werden beispielsweise nur aktiviert, wenn Licht auf das Zentrum ihres rezeptiven Feldes fällt, die Peripherie dagegen dunkel bleibt (ON-Zellen). Bei anderen ist es genau umgekehrt (OFF-Zellen). Darüber hinaus gibt es Ganglionzellen, die von Licht aktiviert werden, das in einer bestimmten Richtung über ihr rezeptives Feld streicht. Im Gegensatz zu dieser Vorzugsrichtung hemmt eine Bewegung in entgegen gesetzter Richtung (Nullrichtung).

Eine wichtige Rolle für diese Richtungsselektivität spielen „Starburst“-Amakrinzellen, die die Aktivität der Ganglionzellen über hemmende synaptische Verbindungen modulieren. Vor einigen Jahren hatte dieselbe Arbeitsgruppe am Heidelberger Max-Planck-Institut gezeigt, dass Starburst-Amakrinzellen von bewegten Reizen aktiviert werden. Dabei reagiert jeder Ast des runden Dendritenbaums auf solche Reize bevorzugt, die sich vom Zellkörper entlang nach außen bewegen. Bewegungen von außen nach innen wiederum hemmen ihre Aktivität. Ihre Dendriten fungieren dabei im Zentralbereich rund um den Zellkörper klassisch als Empfänger von elektrischen Signalen, im Randbereich dagegen auch als Sender – sie entsprechen dort also dem Axon einer Nervenzelle. Ob sie den Ganglionzellen ihre Richtungsselektivität verleihen oder ob die Ganglionzellen ihre Vorzugsrichtung aus anderen Faktoren „errechnen“, war bislang unklar.

Die Max-Planck-Forscher Kevin Briggman, Moritz Helmstaedter und Winfried Denk haben nun entdeckt, dass die Synapsen zwischen Ganglionzellen und Starburst-Amakrinzellen asymmetrisch verteilt sind – obwohl die Zellen selbst symmetrisch sind. Und zwar so, dass von der Ganglionzelle aus gesehen die mit ihr verbundenen Starburstzell-Dendriten entgegen der bevorzugten Bewegungsrichtung eines Lichtreizes laufen. „Ganglionzellen bevorzugen Amakrinzellen, deren Dendriten entlang der Nullrichtung verlaufen“, sagt Winfried Denk vom Heidelberger Max-Planck-Institut.

Früheren Studien von Winfried Denk und seiner Arbeitsgruppe zufolge sind dafür die elektrischen Eigenschaften der sternförmig vom Zellkörper abzweigenden Dendriten der Amakrinzellen entscheidend. Sie werden demnach vom Zentral- zum Randbereich hin immer leichter erregbar, so dass Reize in dieser Richtung bevorzugt weiter geleitet werden. Hemmende Einflüsse zwischen benachbarten Amakrinzellen, die so genannte laterale Hemmung, sind für diesen Mechanismus nicht notwendig. „Eine Ganglionzelle kann also zwischen Bewegungen unterschiedlicher Richtung unterscheiden, indem sie ausschließlich mit bestimmten Starburst-Amakrinzell-Dendriten Verbindungen eingeht – nämlich denen, die mit ihren hemmenden Synapsen verhindern, dass die Ganglionzelle in Nullrichtung aktiviert wird. Das sind genau die Amakrinzellen, deren Dendriten in dieser Orientierung verlaufen“, erklärt Winfried Denk.

Analyse von Funktion und Struktur

Möglich wurden dieser Befund durch eine Kombination zweier unterschiedlicher Mikroskopie-Methoden: Mit einem Zwei-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskop bestimmten die Wissenschaftler zunächst die bevorzugte Bewegungsrichtung der Ganglionzellen. Ein Kalzium-sensitiver Fluoreszenz-Farbstoff zeigte an, bei welchen Lichtreizen Kalzium in die Zellen einströmt, was die elektrische Aktivität der Zellen signalisiert.

Als nächstes maßen sie den exakten Verlauf aller Dendriten dieser Ganglionzellen sowie die der Amakrinzellen mit Hilfe eines neuen Elektronenmikroskopie-Verfahrens, der seriellen Oberflächenabbildung. Bei diesem Verfahren wird eine Volumenabbildung erstellt, indem wiederholt die Oberfläche eines Gewebepräparats mit dem Elektronenstrahl eines Raster-Elektronenmikroskops abgetastet wird, wobei zwischen den Abtastvorgängen jeweils ein dünnes Scheibchen der Oberfläche mit einem sehr scharfen Diamantmesser „abgehobelt“ wird. Diese Scheibchen sind dünner als ein 25 Nanometer, gerade mal ein tausendstel der Dicke eine menschlichen Haares.

Die hohe dreidimensionale Auflösung dieses Verfahrens erlaubt die gerade der Netzhaut des Auges dicht gepackten verästelten Fortsätzen der Nervenzellen zu verfolgen und die Synapsen zwischen ihnen eindeutig zu identifizieren. Die vollständige Automatisierung der Bildaufnahme macht es möglich über Wochen hinweg Datensätze mit tausenden oder gar zehntausenden von Schnitten aufzunehmen, „während man selbst z.B. im Urlaub oder auf Dienstreise ist“ sagt Winfried Denk. „Daher ist nun erstmals möglich, winzige Zellstrukturen mit hoher Auflösung in einem größeren Gewebestück zu beobachten. Dieses Verfahren wird deshalb künftig unverzichtbar sein, um Verschaltungsmuster auch in anderen Regionen des Nervensystems zu aufzuklären.“

Ansprechpartner
Prof. Dr. Winfried Denk
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, Heidelberg
Telefon: +49 6221 486-335
Fax: +49 6221 486-325
E-Mail: denk@mpimf-heidelberg.mpg.de
Originalveröffentlichung:
Kevin L Briggman, Moritz Helmstaedter, Winfried Denk
Wiring specificity in the direction-selectivity circuit of the retina
Nature, 10. März 2011

Prof. Dr. Winfried Denk | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de
http://www.mpg.de/1198735/richtungssehen_retina

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kleinste Teilchen aus fernen Galaxien!
22.09.2017 | Bergische Universität Wuppertal

nachricht Tanzende Elektronen verlieren das Rennen
22.09.2017 | Universität Bielefeld

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

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