Nervenzellen kommunizieren miteinander über Synapsen. An ihnen wird die elektrische Erregung, die sich entlang einer Nervenzelle ausbreitet, in ein chemisches Signal umgewandelt. Dabei werden Botenstoffe – die Neurotransmitter wie zum Beispiel Glutamat – ausgeschüttet, die an benachbarten Nervenzellen andocken und dort eine neue elektrische Erregung bewirken. Solche „chemischen Synapsen“ sind für die normale Funktion des Gehirns von essenzieller Bedeutung.
Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass bei der Übertragung an erregenden (glutamatergen) Synapsen das freigesetzte Glutamat häufig nicht nur von dem direkten Partner, sondern auch von anderen, weiter benachbarten Synapsen wahrgenommen wird. Dieses „Mithören der Kommunikation“, das sogenannte synaptische Übersprechen, wird als „Crosstalk“ bezeichnet. Die ihm zugrundeliegenden molekularen Mechanismen sind noch kaum verstanden.
In dem gemeinsamen Projekt SynGluCross wollen Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Christine R. Rose (HHU), Prof. Dr. Christian Henneberger (Universität Bonn) und Prof. Dr. Ghanim Ullah (University of South Florida, Tampa / USA) die dem Crosstalk zugrundeliegenden Mechanismen und deren Auswirkungen erforschen. Die Forschenden wollen so ein umfassendes zelluläres Verständnis, dadurch tiefere Einblicke in die Funktion der Synapsen und somit in die Arbeitsweise des Gehirns erlangen. Dies kann auch medizinisch bedeutsam sein, um Vorgänge bei neurodegenerativen Erkrankungen zu verstehen.
Prof. Rose: „Wir gehen davon aus, dass der Crosstalk zur normalen Kommunikation zwischen den Nervenzellen gehört und wesentlich beispielsweise für Lernprozesse ist. Bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen wiederum kann der Crosstalk gestört sein.“
Im Fokus stehen die sogenannten Astrozyten, spezielle Zellen im Nervengewebe. Sie gehören zu den „Gliazellen“, einer wichtigen Klasse von Gehirnzellen, die sich strukturell und funktionell von den Nervenzellen unterscheidet. Die Forschenden gehen von der Hypothese aus, dass die Astrozyten eine entscheidende Rolle bei der Ausbreitung des Glutamats zwischen den Zellen spielen. Überprüft werden drei Aspekte:
- Welche Rolle spielt die natriumabhängige Aufnahme von Glutamat durch Astrozyten beim Crosstalk zwischen Nervenzellen?
- Welche Rolle spielt die Umhüllung der Synapsen durch Astrozytenausläufer beim Crosstalk?
- Beeinflusst neuronale Aktivität die Struktur der Astrozytenausläufer und damit die Glutamatausbreitung?
Eingesetzt werden verschiedene bildgebende und elektrophysiologische Verfahren, die mit Computermodellen kombiniert werden. Die Natrium-Konzentration in Astrozyten kann etwa mit schneller Fluorescence-Livetime-Mikroskopie (kurz FLIM) untersucht werden. Dies ist ein Spezialgebiet der Düsseldorfer Arbeitsgruppe, das vor allem durch Dr. Jan Meyer vorangetrieben wird. Diese wird unter anderem mit „Patch-Clamp“-Messungen – eine besondere Expertise von Dr. Sara Eitelmann – kombiniert zum Einsatz kommen.
Prof. Rose zur Zusammenarbeit der Projektpartner: „Es findet ein reger Austausch zwischen den Arbeitsgruppen statt, unter anderem durch Forschungsaufenthalte der beteiligten Kolleginnen und Kollegen sowie Mitarbeitenden an den jeweils anderen Standorten. Wir bringen so unsere verschiedenen Kompetenzen zusammen und planen gemeinsame Publikationen.“
Das auf vier Jahre angelegte Projekt „SynGluCross – Quantitative und biophysikalische Analyse des Übersprechens (Crosstalk) an glutamatergen Synapsen“ wird im Rahmen der Förderung von Zuwendungen für die „Bilaterale Zusammenarbeit in Computational Neuroscience: Deutschland – USA“ vom BMBF mit rund 1,2 Millionen Euro unterstützt.
Quelle: HHU (Copyright 2023)
