Digitalisierung des Wissens - VolkswagenStiftung

Spektrum
Kurzschluss im Gehirn
Forscherteam um Lichtenberg-Professorin Marlene
Bartos zeigt, dass Ruhepausen im Gehirn auch durch
eine Art Kurzschluss ausgelöst werden können.
Das Gehirn leistet täglich Enormes – etwa wenn
detaillierte Erinnerungen an Vergangenes abgerufen
oder auf Basis von Wissen und Erfahrungen
wichtige Entscheidungen getroffen werden. Um
solche Aufgaben zu meistern, müssen Nervenzellen
im Gehirn eine ausgewogene und zeitlich
präzise Balance zwischen Aktivitäts- und Ruhephasen
einhalten. Ist diese Balance gestört, kann
es zu neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie
oder Schizophrenie kommen.
Für Aktivität sorgen erregende Nervenzellen. Sie
senden Signale aus, die das elektrische Potenzial
der Empfängerzellen in eine positive Richtung
verschieben. Demgegenüber garantieren sogenannte
hemmende Interneurone Ruhepausen
im Gehirn. Bislang nahmen Wissenschaftler an,
dass jene eine Blockierung verursachen, indem sie
die Spannung der Zielzelle in negativer Richtung
verändern. Nun jedoch hat ein Forscherteam der
Universität Freiburg um Lichtenberg-Professorin
Marlene Bartos und die beiden Molekularmediziner
Jonas-Frederic Sauer und Michael Strüber
herausgefunden, dass Interneurone ihre Zielzellen
auf eine zweite Art hemmen können: Sie können
auch einen elektrischen Kurzschluss verursachen,
sodass die Zielzellen für kurze Zeit nicht für erregende
Signale empfänglich sind. Die Ergebnisse
ihrer Arbeit veröffentlichten die Forscher im „The
Journal of Neuroscience“.
Welcher der beiden Wirkungsmechanismen der
Interneurone zum Einsatz kommt, hängt vom
jeweiligen Hirnareal ab, das der Untersuchung
zugrunde gelegt wird. Während die Interneurone
beispielsweise im Hippocampus das elektrische
Kurzschluss im Gehirn: Eine Nervenzelle ist blockiert und
kurze Zeit nicht für sie erregende Signale empfänglich.
Potenzial ihrer Zielzellen ins Negative verschieben,
benutzen die Interneurone des benachbarten Gyrus
Dentatus den elektrischen Kurzschluss zur Hemmung.
Diese Gehirnregion ist dafür bekannt, dass
Änderungen in der Balance zwischen Anregung
und Hemmung zu Epilepsie führen können. Die
Arbeit des Freiburger Forscherteams hilft somit
dabei, klinische Störungen dieser Balance besser zu
verstehen, und kann in Zukunft möglicherweise als
Grundstein für bessere Therapien dienen.
Wenn die Nase leuchtet
Wissenschaftler um Lichtenberg-Professor Marc
Spehr haben herausgefunden, wie wir unterschiedlich
starke Gerüche wahrnehmen.
Mitochondrien, auch „Kraftwerke der Körperzellen“
genannt, haben die Hauptaufgabe, Energie zu
erzeugen. Seit Kurzem weiß man, dass diese Organellen
außerdem den Kalziumspiegel in Zellen
regulieren. In der Riechforschung wurden zwar
viele Prozesse der Kalziumregulation in Riechnervenzellen
untersucht, die Rolle von Mitochondrien
allerdings blieb bislang unerforscht. Hier setzten
in einem von der Stiftung geförderten Projekt
Wissenschaftler der RWTH Aachen, vom NeuroScience
Research Center der Berliner Charité
und vom italienischen Forschungsunternehmen
Axxam SpA an. Ihnen ist es gelungen, den Prozess
der Geruchswahrnehmung mithilfe einer neuartigen
Messmethode sichtbar zu machen.
Bisher war bekannt, dass sich der Kalziumspiegel
unmittelbar erhöht, wenn Riechnervenzellen
in unserer Nase in Kontakt mit eingeatmeten
Duftstoffen kommen. Dies führt zu einem
elektrischen Impuls, der über Nervenfortsätze
an das Gehirn weitergeleitet wird. Ob auch
Mitochondrien dieses Duftsignal beeinflussen,
war unklar. Jetzt gelang es, den Anstieg des
Kalziumspiegels im Inneren der Mitochondrien
unter dem Mikroskop zu erkennen. Dabei spielt
ein Prozess, Biolumineszenz genannt, eine entscheidende
Rolle. Durch die Technik löst das in
die Mitochondrien einfließende Kalzium eine
chemische Reaktion aus, bei der Licht entsteht.
Die Experimente der Duftforscher finden in
völliger Dunkelheit statt, und nur wenn der
Kalziumspiegel im Inneren der Mitochondrien
steigt, wird Licht gebildet. Dieses Licht können
die Wissenschaftler mikroskopisch „einfangen“
– beim Riechen beginnt also die Nase quasi zu
leuchten. Ihre Ergebnisse veröffentlicht das
Forscherteam im renommierten Fachmagazin
„Nature Neuroscience“.
Das Leuchten beweist, dass Mitochondrien in den
Riechnervenzellen an der Regulation des Kalziumspiegels
beteiligt sind. Und nicht nur das: Die Wissenschaftler
konnten beobachten, dass Mitochondrien
im Inneren der Zellen „wandern“. Sobald ein
Duft die Riechnervenzellen dauerhaft stimuliert,
werden Mitochondrien in diejenigen Areale der
Zellen transportiert, in denen der Kontakt mit
Duftstoffen stattfindet. Ausgehend von den neuen
Erkenntnissen sind die Wissenschaftler der Frage
nachgegangen, welche Folgen ein Verlust der
Kalziumspeicherfunktion von Mitochondrien für
das Riechvermögen hat. Die Antwort: Bei einem
Funktionsausfall werden Gerüche zwar weiterhin
wahrgenommen, die Nase ist jedoch nicht mehr
in der Lage zu „messen“, ob eine Substanz stark
oder schwach riecht.
Die neue Messmethode könne – spezifiziert und
weiter verfeinert – mittelfristig womöglich in der
Diagnostik bestimmter Krankheiten zum Einsatz
kommen, erklärt Lichtenberg-Professor Marc
Spehr, der das Aachener Forscherteam leitet und
von der VolkswagenStiftung mit 1,4 Millionen
Euro gefördert wird. Denn: „Bei einigen neurodegenerativen
Erkrankungen wie Parkinson und
Alzheimer scheinen auch defekte Mitochondrienfunktionen
eine Rolle zu spielen.“
Die Abbildung zeigt fluoreszenzmarkierte Riechnervenzellen
(grün) aus der Nasenschleimhaut der Maus. Die Fortsätze der
Riechnervenzellen enden am Übergang zur Nasenhöhle (schwarz)
mit fadenförmigen Ausläufern (sog. Zilien), die die Riechschleimhaut
bedecken. Rot angefärbt sind durch Antikörper markierte
Mitochondrien, die in allen Zellen der Nasenschleimhaut vorkommen.
Das Schema oben zeigt die elektrischen Entladungen einer
Riechnervenzelle bei der Duftwahrnehmung. Nur wenn die Aufnahme
von Kalzium in die Mitochondrien durch den mCU-Kanal
möglich ist, reagiert die Riechnervenzelle auf den Duft.
Virusabwehr neu verstanden
Forschergruppe um Lichtenberg-Professor Max Löh-
ning entdeckt Mechanismus, wie Virusinfektionen
unsere Körperabwehr zu Höchstleistungen anregen.
„Killer T-Zellen“ (CD8 T Zellen) sind ein wichtiger
Bestandteil unserer Körperabwehr. Sie erkennen
und töten solche Zellen, die Viren vermehren oder
die zu Krebs entartet sind. Killer T-Zellen wären
somit ein wichtiger Wirkmechanismus für Impfungen
gegen HIV/AIDS, Hepatitis C und Malaria
sowie für bestimmte Krebstherapien. Bekannt
ist, dass Virusinfektionen die Killer-T-Zell-Abwehr
extrem anheizen – bislang ist jedoch nur zum Teil
verstanden, welche Prozesse dabei genau ablaufen.
Forscher der Universität Genf und vom Team
um Lichtenberg-Professor Max Löhning von der
Charité – Universitätsmedizin Berlin fanden nun
einen weiteren grundlegenden Mechanismus, wie
bei Virusinfektionen Killer T-Zellen zur Hochform
auflaufen. Dabei ist von Bedeutung, dass Viren die
von ihnen infizierten Zellen zerstören – es kommt
zur Freisetzung von Zellbestandteilen. Solche Zellbestandteile
werden als „Zerstörungs-assoziierte
Molekulare Muster“ (DAMPs) oder Alarmine
bezeichnet. Die Wissenschaftler haben nun herausgefunden,
dass Killer T-Zellen das Alarmin
Interleukin 33 (IL-33) erkennen können. Es wird
von Zellen freigesetzt, die das Gerüst von Milz und
Lymphknoten bilden und damit die Killer T-Zellen
direkt umgeben.
„Diese Erkenntnisse könnten ein neuer Ansatz
sein für mögliche Impfungen gegen Infektionskrankheiten
oder sogar Krebs“, sagt Max Löhning,
der seit 2007 als Lichtenberg-Professor für
Experimentelle Immunologie an der Charité das
Gedächtnis unseres Immunsystems erforscht.
Lichtenberg-Professor
Max Löhning erforscht
das Gedächtnis unseres
Immunsystems.
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