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Der Hirnschnitt wurde mit der "flash and freeze" Methode präpariert © Carolina Borges Merjane
Der Hirnschnitt wurde mit der "flash and freeze" Methode präpariert © Carolina Borges Merjane

APA

Blitzen und Schockgefrieren: Forscher vermessen Nervenübertragung neu

10.01.2020

Seit einigen Jahren gehen Wissenschafter den Mechanismen neuronaler Signalgebung nach, indem sie Nervenzellen zuerst mit Lichtblitzen anregen und sie dann schockgefrieren, um sie in der Folge strukturell zu untersuchen. Ein österreichisches Team hat diesen "Flash and freeze-Ansatz" nun entscheidend weiterentwickelt. Das mache den Weg zu neurowissenschaftlichen "Wunschtraumexperimenten" frei.

Um herauszufinden, wie etwa im Gehirn Signale von Nervenzelle zu Nervenzelle (Neuron) weitergegeben werden, müssen die Wissenschafter die Vorgänge am Übergang zwischen den Zellen - den Synapsen - verstehen. Dort befinden sich die "Vesikel" genannten kleinen Behälter mit Botenstoffen (Neurotransmittern), die freigesetzt werden, wenn die Nervenzelle angeregt wird. Gelangen diese Transmitterstoffe dann in ausreichender Menge zum angrenzenden Neuron, wird dort ebenfalls der Mechanismus ausgelöst, der diese Zelle zum Feuern bringt. So werden Signale von Neuron zu Neuron übertragen.

Damit viele Nervenzellen im Zusammenspiel ihre Funktion, etwa beim Erinnern, ausüben können, muss sich folglich an der Struktur der Synapsen etwas verändern. Das Team vom Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg (NÖ), bestehend Carolina Borges-Merjane, Olena Kim und Peter Jonas, arbeitet zum Nachweis dieser Änderungen mit der "Flash and freeze-Methode" (auf Deutsch in etwa "Blitz und Gefrier-Methode"). Dabei werden Synapsen zuerst durch Licht stimuliert und dann innerhalb von wenigen Millisekunden bei minus 196 Grad Celsius und bei einem Druck von 2.000 bar eingefroren. Danach kann die Probe aufgearbeitet und die Strukturveränderungen sehr genau unter dem Elektronenmikroskop analysiert werden.

2013 entwickelte Technik verfeinert

Bisher funktionierte die Methode jedoch vor allem bei speziell präparierten, kultivierten Nervenzellen. Da sich die tatsächliche Funktion von Verbindungen im komplexeren Säugetier-Nervensystem aber eigentlich nur an intakten, quasi lebensnahen Schaltkreisen ablesen lässt, verfeinerte das Team die 2013 entwickelte Technik und berichtet nun darüber im Fachblatt "Neuron". Im Rahmen eines hochdotierten Förderpreises des Europäischen Forschungsrates (ERC) für Jonas haben die Wissenschafter in den vergangenen Jahren "sehr viel Arbeit in die Verbesserung der Technik" gesteckt, so der Forscher im Gespräch mit der APA.

Anwendbar ist der neue Ansatz jetzt auch auf Proben, die direkt aus verschiedenen Regionen des Gehirns von Mäusen entnommen werden. Durch die Innovation komme man auch der Frage näher, "ob alle Synapsen gleich funktionieren oder wie groß die Unterschiede zwischen ihnen tatsächlich sind", sagte Jonas. In der Folge könne man testen, inwiefern sich Unterschiede in der Funktion auch in der Struktur niederschlagen - eine der zentralen Fragen in den Neurowissenschaften.

In Experimenten an sogenannten Moosfasersynapsen aus dem Hippocampus von Mäusen - einem Gehirnteil, der eine wichtige Rolle für das Gedächtnis spielt - wurde nun etwa klar, dass sich diese bei der Übertragung stark verändern. Außerdem zeigten die Forscher, dass der sogenannte freisetzbare Pool von Vesikeln mit jenem der gedockten Vesikeln weitgehend überlappt. Die nunmehr möglichen Experimente seien, "ideal geeignet, die Hypothese, dass die beiden identisch sind, zu testen", so Jonas. Dies sei vor zehn Jahren noch völlig undenkbar gewesen.

Überdies sei es möglich, die Methode auf genetisch modifizierte oder erkrankte Nervenzellen anzuwenden. Das könnte zukünftig etwa auch bei der Entwicklung von neuen Medikamenten helfen. "Es ist sehr schön, dass durch die methodische Weiterentwicklung jetzt solche 'Wunschtraumexperimente' Realität werden", sagte Jonas.

Service: https://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2019.12.022

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