Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Neuronenwolken lichten sich

09.09.2013
WissenschafterInnen am Campus Vienna Biocenter um Alipasha Vaziri und Manuel Zimmer liefern technologische Neuerungen und wichtige Erkenntnisse auf dem Gebiet der Neurowissenschaften, die der Erforschung neuronaler Schaltkreise dienen.

Dabei gingen physikalisches und molekularbiologisches Know-how Hand in Hand. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Nature Methods“ publiziert.


Kopfbereich des Fadenwurms unter dem Mikroskop, die Neuronen des "Gehirns" sind grün eingefärbt. Darüber sind die Lichtscheiben des WF-TeFo Mikroskops angedeutet, wie sie den Bereich des Gehirns abscannen und dabei die Aktivität verschiedener Neuronen abbilden (künstlerische Darstellung). IMP

Das Nervensystem des Fadenwurms C. elegans besteht aus lediglich 302 Nervenzellen (Neuronen). Das besondere am Fadenwurm ist, dass seit über 25 Jahren bekannt ist, wie alle seine Neuronen genau miteinander verknüpft sind. Ein solch kompletter neuroanatomischer Atlas ist bisher für keinen anderen Organismus erhältlich.

Zudem weiß man von einzelnen Neuronen, welche Reaktion – etwa bestimmte Bewegungsabläufe – sie im Wurm hervorrufen. Dennoch liegt für die Neurowissenschaften auch beim einfachsten Modellorganismus das Wichtigste noch im Dunkeln: Es fehlt ein funktionaler Atlas, der zeigt, wie ganze Neuronengruppen (neuronale Netzwerke) dynamisch miteinander interagieren. Nur mit diesem Wissen kann man ein Nervensystem als Ganzes verstehen. Dann könnte man auch noch bessere Rückschlüsse auf andere Organismen, wie etwa den Menschen, ziehen.

Diese Lücke haben nun ForscherInnen am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP), an den Max F. Perutz Laboratories (MFPL) sowie an der Forschungsplattform „Quantum Phenomena & Nanoscale Biological Systems“ (QuNaBioS) der Universität Wien mit einer neu entwickelten Methode geschlossen. Die Methode ist sowohl aus mikroskop-technischer als auch molekularbiologischer Sicht für die Forschung neu.

Zentrales Anliegen war die Entwicklung einer neuen Mikroskopietechnik, welche die Aktivität sehr vieler Neuronen rasch und gleichzeitig erfassen kann. „Normalerweise scannt das Objektiv eines Lichtmikroskops in allen drei Dimensionen. Das dauert viel zu lange, um die Aktivität aller Neuronen gleichzeitig aufnehmen zu können. Wir haben nun einen physikalischen Trick gefunden, die Form des zur Mikroskopie eingesetzten Lichtes gezielt zu gestalten, was wir ‚Light Sculpting‘ nennen.

Dadurch brauchen wir nur noch in einer Dimension zu scannen“, erklärt der Physiker Robert Prevedel, Senior Postdoc im Labor von Alipasha Vaziri, IMP-MFPL Gruppenleiter und Leiter der QuNaBioS Forschungsplattform an der Universität Wien. Die neue Mikroskopiemethode wurde von Physikern dieser Forschungsplattform entwickelt. „Mit den so produzierten dreidimensionalen Videos beobachten wir, wie sich die gleichzeitige Aktivität vieler Neuronen über einen bestimmten Zeitraum verändert“, sagt Prevedel.

Komplette neuronale Netzwerke im Blickfeld

Die neue Mikroskopietechnik war aber nur der halbe Weg zum Erfolg. Die Aktivität von Neuronen wird mit Hilfe von Kalziumsensoren gemessen. Ein bestimmtes zur Markierung verwendetes fluoreszierendes Protein leuchtet auf, wenn es Kalzium bindet. Sobald die Neuronen aktiviert werden, steigen die Kalziumkonzentration und damit auch die Intensität der Fluoreszenz an, die gemessen werden kann. Jedoch lagen die vielen Neuronen auf den Scanbildern so dicht aneinander, dass sie nicht voneinander zu unterscheiden waren.

„Indem wir daraufhin den Kalziumsensor nur in den Zellkern anstatt in das gesamte Zellinnere gebracht haben, umgingen wir dieses Problem. So wurden die Umrisse einzelner Neuronen sichtbar, was deren Identifikation erlaubte“, so Tina Schrödel, Neurobiologin und Doktorandin im Labor von Manuel Zimmer am IMP und Co-Erstautorin der Studie. „Mit dieser Methode erfassen wir gleichzeitig fast alle Neuronen im Gehirn des Wurms“, so Schrödel weiter.

Vom Aktivitäts- zum Verhaltensmuster

Die ForscherInnen machen auf diese Weise Neuronengruppen aus, die bestimmte Aktivitätsmuster zeigen. Daraus lässt sich schließen, wie Information im gesamten Gehirn des Wurms verarbeitet wird. „Das große Ziel der Neurowissenschaften ist es, aus den Aktivitätsmustern von Neuronen abzuleiten, wie Organismen Sinnesreize verarbeiten, Entscheidungen treffen und dann reagieren. Diese neue Methode, die nur durch enge Zusammenarbeit von Physikern und Neurobiologen entwickelt werden konnte, bringt die ForscherInnen diesem Ziel entscheidend näher. „Wir beginnen gerade, wichtige neue Erkenntnisse zu gewinnen, zu denen man vorher keinen experimentellen Zugang hatte. In den nächsten Schritten werden wir erforschen, wie unterschiedliche Reize im Gehirn verarbeitet werden“ erklärt Schrödel. „Wir werden auch weiterhin stets neue Methoden dazu entwickeln. Wir wollen zum Beispiel wissen, wie bestimme Bewegungsabläufe im Gehirn geplant und ausgeführt werden. Dazu müssen wir sowohl die Mikroskopietechnik als auch die Datenanalyse verbessern, sodass wir dies auch bei frei beweglichen Würmern aufzeichnen können – das wird unser Ziel für die kommenden ein bis zwei Jahre sein“, erklärt Prevedel abschließend.

Publikation in Nature Methods:
Tina Schrödel, Robert Prevedel, Karin Aumayr, Manuel Zimmer und Alipasha Vaziri: Brain-wide 3D imaging of neuronal activity in Caenorhabditis elegans with sculpted light. Nature Methods (September 2013). DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nmeth.2637

Das Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie betreibt in Wien biomedizinische Grundlagenforschung und wird dabei maßgeblich von Boehringer Ingelheim unterstützt. Mehr als 200 ForscherInnen aus über 30 Nationen widmen sich der Aufklärung grundlegender molekularer und zellulärer Vorgänge, um komplexe biologische Phänomene im Detail zu verstehen und Krankheitsmechanismen zu entschlüsseln.

Die Max F. Perutz Laboratories (MFPL) sind ein gemeinsames Forschungs- und Ausbildungszentrum der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien am Campus Vienna Biocenter. An den MFPL sind rund 530 WissenschafterInnen in über 60 Forschungsgruppen mit Grundlagenforschung im Bereich der Molekularbiologie beschäftigt.

Wissenschaftlicher Kontakt:
Ass. Prof. Dr. Alipasha Vaziri
Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP)
Max F. Perutz Laboratories (MFPL) and Research Platform Quantum Phenomena & Nanoscale Biological Systems (QuNaBioS), Universität Wien
T +43-1-79730-3540
alipasha.vaziri@univie.ac.at
Dr. Manuel Zimmer
Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP)
T +43-1-79730-3430
manuel.zimmer@imp.ac.at
Rückfrage:
Dr. Heidemarie Hurtl
IMP Communications
T +43-1-79730-3625
M +43 664 8247910
hurtl@imp.ac.at

Dr. Heidemarie Hurtl | idw
Weitere Informationen:
http://www.imp.ac.at
http://www.imp.ac.at/research/research-groups/vaziri-group/
http://www.imp.ac.at/research/research-groups/zimmer-group/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen
19.06.2018 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics