Forschung & Entwicklung Durchbruch bei der Erforschung von Signalwegen an Synapsen

Warum der Hör-Nerv Schalleindrücke von ganz leise bis ganz laut aufnehmen kann, konnte erstmals mithilfe der optischen Nanoskopie gezeigt werden.

Die Signalübertragung zwischen Nervenzellen erfolgt über Synapsen. Wann bei der Übertragung von Signalen an diesen Kontaktstellen Botenstoffe freigesetzt werden, wird durch Kalziumionen gesteuert. Sie sind in Kalzium-Nanodomänen räumlich stark begrenzt und ermöglichen eine sehr schnelle Regulation der Kalzium-Signale. Zudem schützten die Domänen die Zelle vor den giftigen Auswirkungen einer zellweiten Erhöhung der Kalziumkonzentration. Bislang konnten Kalzium-Signale nicht direkt gemessen werden, weil ihre Ausdehnung unterhalb der Auflösungsgrenze konventioneller Lichtmikroskopie liegt.

Um diese Signale dennoch beobachten zu können, hilft die vom Chemie-Nobelpreisträge Prof. Stefan Hell entwickelte optische Nanoskopie weiter. Dafür mussten Wissenschaftler der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) sowie des Max-Planck-Instituts (MPI) für biophysikalische Chemie zunächst geeignete, kalziumempfindliche Fluoreszenzfarbstoffe finden und charakterisieren. In einem weiteren Schritt wurde die Nanoskopie mit der von den Medizin-Nobelpreisträgern Prof. Erwin Neher und Prof. Bert Sakmann entwickelten Patch-Clamp Methode kombiniert, um dann nanoskopische Messungen der Fluoreszenz-Lebensdauer zu etablieren.

Da Kalzium ist eines der wichtigsten Signale in Zellen ist und Kalziumsignale nun mit der Präzision von Nanometern und Millisekunden quantifizieren werden können, eröffnet dies völlig neue Möglichkeiten für die Erforschung der Zellen von Herz und Nervensystem, sind sich die Forscher sicher.

Erste Anwendung

Die erste Anwendung dieser Methode erfolgte in sensorischen Haarzellen des Innenohres. Hier bilden Kalziumkanäle kleine Ansammlungen – sogenannte Cluster – an den Synapsen. Dort beobachteten die Göttinger Wissenschaftler Kalziumsignale, deren räumliche Ausdehnung gut mit der zuvor bestimmten räumlichen Verteilung der Kalziumkanal-Cluster übereinstimmte.

Die Messungen der Wissenschaftler ergaben, dass Die Haarzellen verschieden „starke“ Synapsen ausbilden, um auf diese Weise eine größere Bandbreite an Information an den Hör-Nerv übertragen zu können. Die Schlussfolgerung der Forscher ist, dass sich Synapsen mit verschiedenen Kalziumsignal-Eigenschaften hier offenbar die Arbeit, Schall in Nervensignale umzuwandeln, teilen, um die gesamte Bandbreite der Schalleindrücke von leise bis laut abdecken zu können.

Das neue Verfahren ermöglicht das bildliche „Hineinzoomen“ von der Beobachtung des ganzen Organs hinunter bis auf die Zellebene, hin zu einzelnen Synapsen und schließlich auf die Ebene der synaptischen Kalziumkanäle. Die hier entwickelten optischen Methoden und ihre Kombination mit dem Patch-Clamp-Verfahren stehen nun auch anderen Anwendungen der Lebenswissenschaften und Medizin zur Verfügung. So sollen sie nun auch eingesetzt werden, um Kalzium-Nanodomänen in Herzmuskelzellen zu entschlüsseln.

Die Forschung wurde durch den Sonderforschungsbereich 889, den Bernstein Fokus für Neurotechnologie und das Göttinger Exzellenzcluster Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns (CNMPB) gefördert.

von mg

www.auditory-neuroscience.uni-goettingen.de

www.mpibpc.mpg.de

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