Entwicklung von Synapsen

Ziel dieses Projektes ist es, (1) den Vorgang des Reifens von synaptischen Kontaktstellen zu beschreiben und (2) Zahl und räumliche Anordnung von Synapsen während deren Entwicklung zu studieren. Dazu werden wir gut charakterisierte Synapsen zweier von uns ausgewählter, neuronaler Systeme der Heuschrecke heranziehen: Erstens, Ausgangssynapsen großer ozellarer Interneurone, die an der Stabilisierung der Flugbahn beteiligt sind. Zweitens, Eingangssynapsen des "Lobula giant movement detectors" (LGMD), eines großen visuellen Interneurons, das an einem Schaltkreis zur Vermeidung von Zusammenstößen beteiligt ist. Es gibt bereits detaillierte Studien über die räumliche Anordnung und die physiologischen Eigenschaften dieser Synapsen bei adulten Heuschrecken, und die Synapsen sind einfach zu lokalisieren. Es handelt sich dabei sowohl um erregende Kontaktstellen als auch um hemmende, und manche von ihnen wirken phasisch, andere wirken tonisch auf die Zielzellen ein. Die von uns ausgewählten Synapsen zeigen also ein breites Spektrum an unterschiedlichen Funktionsweisen. Um die Neurone in Larven und Embryonen zu identifizieren, werden wir histologische Methoden und anterograde Färbemethoden anwenden, in denen alle Neurone dargestellt werden, die gemeinsam in einem Trakt verlaufen. Mittels Elektronenmikroskope und mit Hilfe von molekularen Markern für Proteine der synaptischen Vesikel (Synaptotagmin und Synapsin) planen wir die Synapsen zu lokalisieren, um sie während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung zu studieren. Diese Methoden werden uns dazu dienen, eine Antwort auf die folgenden Fragen zu finden: 1.) Welche ultrastrukturellen Veränderungen treten während der Ausbildung von Synapsen des Zentralnervensysems auf? 2.) Wann entsteht an der Synapse bestimmte Proteine, die der Transmitterfreisetzung dienen? 3.) Wie kommt das räumliche Verteilungsmuster der Synapsen zur Ausbildung, das für deren Funktion im Adulttier charakteristisch ist. Ich (Dr. Gerd Leitinger) werde meine Erfahrung mit den meisten der zur Anwendung kommenden erwähnten Methoden einbringen können und plane die Experimente am Institut für Histologie und Embryologie in Graz durchzuführen. Die dafür nötige Grundausstattung ist am Institut für Histologie und Embryologie vorhanden, und das Thema diese Arbeit wird Teil des Schwerpunktthemas "Neurobiologie" der von Univ. Prof. Mag. Dr. Maria Anna Pabst (Vorstand des Insitutes) geleiteten Arbeitsgruppe sein. Außerdem wird das Projekt in Zusammenarbeit mit Dr. Peter J. Simmons und Dr. F. Claire Rind, zwei Wissenschaftlern des Instituts für Neurowissenschaft, Universität Newcastle, UK durchgeführt. Beide sind Experten auf dem Gebiet der Neuroanatomie und Neurophysiologie und ihre Arbeiten aus der letzten Zeit befassen sich intensiv mit dem LGMD-System und dem Ozellus-System. In Zusammenarbeit mit Newcastle sollen Ideen ausgetauscht und Forschungsergebnisse diskutiert werden. Zusätzlich wird mir in Newcastle ein Elektronenmikroskop mit Goniometer zur Verfügung stehen.

Am Beispiel der beiden unterschiedlichen Sehsysteme von Heuschrecken (Punkt- sowie auch Komplexaugen) lassen sich verschiedene Entwicklungsstufen von Kontaktstellen zwischen Nervenzellen besonders gut untersuchen. In großen Interneuronen (den Sehzellen nachgeschalteten Nervenzellen) des Punktaugensystems entstehen solche Kontaktstellen (Synapsen) nachweisbar bereits bald nach dem Schlüpfen der Tiere. Es zeigte sich aber, dass sie im Laufe ihrer Weiterentwicklung, während der die Tiere mehrere Larvenstadien durchwandern, neu angeordnet werden, wobei sie einfache Modelle bilden, an denen die Entwicklungsprozesse gut nachvollziehbar sind. Gleichzeitig lassen sich Zellfortsätze von Riesen-Bewegungsdetektorzellen im Komplexaugensystem durch ihre charakteristische Anordnung bereits früh eindeutig identifizieren. In Zusammenarbeit mit Dr. Peter Simmons und Dr. Claire Rind von der University of Newcastle upon Tyne (England), wandten wir spezielle licht- und elektronenmikroskopische Methoden an. Mithilfe dieser modernsten Verfahren konnten wir an den beiden Modellsystemen in Larven und erwachsenen Heuschrecken gezielt Proteine nachweisen, die am Aufbau synaptischer Verbindungen beteiligt sind. Es zeigte sich, dass das Protein Synapsin zwar an Kontaktstellen von Interneuronen, nicht aber an den Synapsen von Sehzellen zu finden ist, was durch Unterschiede in deren Funktionsweise bedingt sein dürfte. Weiters fanden wir, dass sich in Interneuronen des Punktaugensystems bereits bald nach dem Schlüpfen die synaptischen Proteine Synapsin und Synaptotagmin ansammeln, was bedeuten könnte, dass synaptische Verbindungen bereits früh ausgebildet werden. Wir stellten aber fest, dass diese Kontaktstellen im weiteren Entwicklungsverlauf neu geordnet werden: Während sie in jungen Larvenstadien gleichmässig zwischen der Peripherie und dem Zentrum des Gehirns zu finden sind, kommen synaptische Verbindungen später nur mehr im Zentrum vor. Auch die Riesen-Bewegungsdetektoren werden bereits früh ausgebildet. Diese Nervenzellen haben fingerförmige Fortsätze, auf die jeweils zwei vorgeschaltete Zellen treffen. Diese charakteristische Anordnung von Fortsätzen ist entscheidend für die Funktionsweise der Riesen- Bewegungsdetektoren und konnte von uns bereits in jungen Larvenstadien nachgewiesen werden. Ob in diesem Stadium bereits funktionstüchtige Synapsen ausgebildet sind, werden aber erst weitere Versuche ergeben. Ein weiterer, wesentlicher Teil des Projektes wurde an Nervenzellen der Weinbergschnecke (Helix) durchgeführt. Dafür wurden, in Zusammenarbeit mit Dr. Ferdinando Fiumara der Universität Turin (Italien), Nervenzellen isoliert und gepaart. Mit stimulierenden Nährlösungen entwickelten diese Zellen in der Zellkultur dann untereinander Kontaktstellen aus, deren Funktionsweise in Turin erforscht wurde. In Graz konnten wir mit Hilfe von Elektronenmikroskopie zeigen, dass diese Kontaktstellen alle Merkmale von Synapsen aufweisen.