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 Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

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: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Geothermie: Den Sommer im Winter ernten

18.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Kompositmaterial für die Wasseraufbereitung

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Brain-Computer-Interface: Wenn der Computer uns intuitiv versteht

18.01.2017 | Informationstechnologie