Optische Steuerung von Adhäsion und Synapsen-Funktion

Ein wichtiges Ziel der neurowissenschaftlichen Forschung ist das Verständnis neuraler Verbindungen im Säugerhirn. Von grundlegender Bedeutung ist hierbei, und auch neurologischen Krankheiten, wie synaptische Verbindungen geknüpft, verändert und erhalten werden. Neuronale Zelladhäsionsproteine, zum Beispiel die Neurexine und die Neuroligine, spielen bei diesen Prozessen eine wichtige Rolle. In dieser Studie werden wir die Organisation und Funktion dieser Proteine mit Hilfe der Optogenetik fernsteuern. Wir werden dieses Ziel erreichen, da zwei Forschungsgruppen mit komplementären Stärken vereint werden: Die Gruppe von O. Thoumine (Bordeaux) hat sich auf Adhäsionsproteine spezialisiert mit besonderem Fokus auf die Verwendung der Einzelmolekül-Mikroskopie, Modellierung und Elektrophysiologie zur Untersuchung von synaptischen Formen und Funktionen. The Gruppe von H. Janovjak (Klosterneuburg) hat neue optogenetische Methoden entwickelt, welche das Verhalten von Säugerzellen steuern können mit besonderem Fokus auf die Regulation der Membranprotein-Oligomerisierung. Diese Verknüpfung von modernen Methoden und das Schaffen einer neuen Forschungsrichtung wird es ermöglichen, die Ansammlungen und Funktionen von Adhäsionsproteinen nicht nur dynamisch zu beobachten sondern auch zu steuern, um dadurch ein besseres Verständnis der neuralen Verbindungen zu erreichen. 1

Die Nervenzellen im Gehirn sind zu einem komplexen Netzwerk verschaltet, dessen Aktivität die Steuerung von Körperfunktionen und höhere Hirnfunktionen, wie Gedanken und Gedächtnis, ermöglicht. Die Komplexität ist schon alleine durch die Zahl der beteiligten Nervenzellen, im menschlichen Gehirn ca. 86 Milliarden, gegeben und wird weiter dadurch illustriert, dass jede dieser Zellen über eine Vielzahl von Synapsen Information von anderen Nervenzellen erhält, bearbeitet und wieder weitergibt. Optische Mikroskopieverfahren nehmen bei der Untersuchung der Struktur von Hirngewebe eine zentrale Rolle ein, weil sie es erlauben, spezifische Moleküle sichtbar zu machen und lebende Systeme zu untersuchen. Allerdings ist das räumliche Auflösungsvermögen von konventionellen Lichtmikroskopen auf ca. die halbe Wellenlänge des Lichtes oder einige hundert Nanometer limitiert, sodass die detaillierte Architektur des Hirngewebes oder von Synapsen nicht aufgelöst werden kann. Neuartige optische Verfahren, die deutlich bessere Auflösung ermöglichen, versprechen, lebendes Hirngewebe bis hin zu den Details der Verschaltungen zwischen den Nervenzellen analysieren zu können. In diesem FWF Projekt wurden Lichtmikroskopie-Verfahren entwickelt, mit deren Hilfe Hirngewebe in bisher nicht erreichbarem Detail darstellbar ist. Insbesondere können damit nicht nur einzelne Zellen mit hoher Auflösung, sondern der gesamte zelluläre Kontext im Gewebe dargestellt werden. Mit einer Technologie zur Darstellung von lebendem Gewebe können dynamische Prozesse dargestellt werden, während mit einer Technologie zur Visualisierung von fixiertem Gewebe spezifische Moleküle, z.B. in Synapsen, in ihrem strukturellen Kontext erfasst werden können. Diese Technologien werden es ermöglichen, verschiedene neurowissenschaftliche Fragestellungen im Zusammenhang mit synaptischen Verbindungen und der zellulären Architektur von Hirngewebe zu bearbeiten. Hierdurch ergibt sich ein Wert für die Erforschung der Grundlagen der Biologie von Hirngewebe und für die Erforschung der Veränderungen des Hirngewebes bei Krankheitsprozessen, sodass gemeinsam mit komplementären Ansätzen deren zugrundeliegende Mechanismen besser verstanden werden können.