Hochauflösende neuronale Bildgebung in Echtzeit

Verglichen mit anderen, meist kugelförmigen Körperzellen, besitzen Neuronen eine einzigartige Morphologie. Aus dem Zellkörper ragen spezielle Fortsätze für das Senden und Empfangen von Signalen heraus. An einem Ende wächst ein verzweigter dendritischer Baum und gegenüber ein einzelnes langes Axon heraus.

Dendriten sind noch kleiner als normale Zellen, zudem beruht ihre synaptische Funktion auf den Verdickungen bzw. dendritischen Dornen, die die Kommunikation zwischen Neuronen ermöglichen. Deren Fehlfunktionen sind Auslöser einer Reihe neurologischer Erkrankungen.

Da sie sehr klein und sehr dynamisch sind, war es bislang schwierig, ihr Verhalten in situ zu untersuchen. Das EU-finanzierte Projekt "Nanoscale photoactivation and imaging of synaptic spine dynamics" (DYNASPINE) entwickelte hierfür Techniken, um in Echtzeit den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion auf Ebene einzelner Synapsen zu erforschen.

Die neuronale Signalübertragung beruht auf dem komplexen Zusammenspiel chemischer und elektrischer Signalkomponenten, etwa Spannungsänderungen in der Membran, sich öffnende und schließende Membranporen und Austausch von Ionen und Molekülen. Auch die Anzahl, Größe und Form der Dornen kann sich verändern (Plastizität). Solche Veränderungen können die langfristige synaptische Übertragung verstärken (Langzeitpotenzierung) und werden auch durch wiederholte Stimulierung induziert, die vor allem bei Lern- und Gedächtnisprozessen eine Rolle spielt.

Das Forscherteam kombinierte elektrophysiologische Aufnahmen mit STED-Mikroskopie (stimulierte Emissionsdepletion), einem der modernsten hochauflösenden Mikroskopieverfahren. Es induzierte die photostimulierte Freisetzung des exzitatorischen Neurotransmitters Glutamat, um Rezeptoren an der einzelnen Synapse zu stimulieren.

Die Experimente belegten die Plastizität von Dornen, insbesondere die Verkürzung oder Verbreiterung des Halses bei synaptischer Potenzierung. Zudem zeigte sich, dass der Einfluss dieser strukturellen Veränderungen auf die chemische und elektrische Signalgebung überraschend variiert, was auf eine sehr viel komplexere Funktion neuronaler dendritischer Dornen hindeutet.

DYNASPINE eröffnet damit neue Wege zur Erforschung der Funktionsweise dendritischer Dornen. Die Weiterführung dieser interessanten Forschungsrichtung könnte für die Neurowissenschaften von großer Bedeutung sein.