Das menschliche Gehirn, ein Wunderwerk der Natur, besteht aus Milliarden von Nervenzellen (Neuronen), die in einem komplexen Zusammenspiel Informationen verarbeiten, weiterleiten und speichern. Um die Funktionsweise dieses biologischen Supercomputers besser zu verstehen, widmen sich Forschende der Untersuchung einzelner Neuronen, um die Geheimnisse ihrer Aktivität, Kommunikation und Rolle im Gedächtnis zu lüften.
Innovationen in der Erforschung neuronaler Netzwerke
Wissenschaftler haben bedeutende Fortschritte bei der Erforschung einzelner Neuronen im menschlichen Gehirn erzielt. Diese Fortschritte ermöglichen es, die komplexen Schaltkreise des Gehirns zu entschlüsseln und zu verstehen, was passiert, wenn diese Schaltkreise gestört sind.
Single-Neuron Network Assembly Platform (SNAP)
Forschende des Universitätsklinikums Bonn (UKB) und der Universität Bonn haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Münster und der Harvard Medical School eine innovative Plattform namens Single-Neuron Network Assembly Platform (SNAP) entwickelt. Diese Technologie ermöglicht es, menschliche neuronale Netzwerke gezielt und reproduzierbar aufzubauen. SNAP kombiniert 3D-gedruckte mikrofluidische Kanäle mit modernster Laser- und Softlithografietechnologie, um Nervenzellen mit Einzelzellpräzision zu positionieren und ihre elektrischen Signale zu untersuchen.
„Mit SNAP können wir neuronale Schaltkreise von Grund auf gestalten“, erklärt Prof. Dr. Volker Busskamp, Biotechnologe und Forschungsgruppenleiter an der Augenklinik des UKB.
Ephaptische Kopplung
Ein Schwerpunkt der SNAP-Studie war die Untersuchung der ephaptischen Kopplung, also der Wechselwirkung zwischen Neuronen über ihre eigenen elektrischen Felder, unabhängig von synaptischen Kontakten. Mit SNAP gelang erstmals der direkte experimentelle Nachweis ephaptischer Kopplung in einem kontrollierten menschlichen neuronalen Schaltkreis.
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Johannes Striebel, Doktorand und Erstautor der Studie, erklärt: „Entscheidend war, die Zellen wirklich auf Einzelzellebene kontrollieren zu können. Das klingt trivial, ist aber technisch extrem anspruchsvoll. Erst durch diese Präzision konnten wir zeigen, wie elektrische Felder die Signalübertragung zwischen Neuronen beeinflussen.“
Die Plattform erlaubt die Integration verschiedener Zelltypen und die präzise Beobachtung einzelner Neuronen, einschließlich optogenetischer Stimulation. Langfristig könnte SNAP damit auch in der Wirkstoffforschung oder bei der Entwicklung von funktionellen Krankheitsmodellen Anwendung finden.
Neuronale Aktivität und Gedächtnis
Die Forschung hat gezeigt, dass einzelne Neuronen eine spezifische Rolle bei der Verarbeitung von Informationen und der Speicherung von Erinnerungen spielen können.
Konzeptneuronen und Kontextneuronen
Eine Studie des Universitätsklinikums Bonn (UKB) und der Universität Bonn untersuchte, wie das Gehirn Inhalt und Kontext von Erinnerungen verarbeitet. Die Forschenden nutzten die elektrische Aktivität einzelner Neuronen im Gehirn von Menschen mit medikamentenresistenter Epilepsie. Dabei identifizierten sie zwei weitgehend getrennte Nervenzellgruppen:
- Inhalts-Neurone: Diese Neuronen feuerten als Reaktion auf spezifische Bilder, unabhängig von der Aufgabe.
- Kontext-Neurone: Diese Neuronen feuerten als Reaktion auf spezifische Aufgabenkontexte, unabhängig vom gezeigten Bild.
Die Verbindungen zwischen diesen Neuronengruppen verstärkten sich im Laufe des Experiments, was darauf hindeutet, dass das Gehirn lernt, Inhalt und Kontext miteinander zu verknüpfen.
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Neuronale Antwortmuster und Reihenfolge von Ereignissen
Eine weitere Studie des Universitätsklinikums Bonn (UKB), der Universität Bonn, dem Universitätsklinikum Tübingen und der Universität Tübingen untersuchte, wie das Gehirn die Abfolge von Ereignissen im Gedächtnis behält. Entgegen der Erwartung, dass Neuronen nacheinander feuern, wie die Bilder gesehen wurden, zeigte die Studie, dass die genaue Abfolge der Zellantworten im Gehirn nicht mit der Abfolge der Ereignisse übereinstimmt. Durch die Modellsimulation mit künstlicher Intelligenz entdeckten die Forschenden einen alternativen Mechanismus der Erinnerung von Reihenfolgen, der aus einem zeitlich-dynamischen Zusammenspiel der Bildpräsentationen, ablaufenden Hirnschwingungen und Signalen von einzelnen Zellen entsteht.
Herausforderungen und Methoden in der Neuronen-Forschung
Die Untersuchung einzelner Neuronen ist mit erheblichen Herausforderungen verbunden, insbesondere aufgrund ihrer geringen Größe und der Komplexität ihrer Verbindungen.
Mikrofluidische Systeme und Durchflusskammern
Um einzelne Bestandteile von Neuronen wie Axone detailliert zu untersuchen, werden mikrofluidische Systeme und Durchflusskammern im Chip-Format eingesetzt. Diese ermöglichen es, Neurone in einzelne Kompartimente unterteilt zu kultivieren und gezielt einzelne Bestandteile von Neuronen unter die Lupe zu nehmen. Mithilfe der Durchflusskammer lässt sich auch präzise steuern, mit welchen Substanzen oder Krankheitserregern einzelne Kompartimente von Nervenzellen in Kontakt kommen.
Patch-Clamp-Methode und Multipatch-Technik
Die Patch-Clamp-Methode ist der Goldstandard zur Messung von elektrischen Aktivitäten innerhalb von Nervenzellen. Dabei wird eine winzige Pipette an eine einzelne Nervenzelle angedockt, um deren elektrische Aktivität zu messen oder sie zu stimulieren. Die Multipatch-Technik ist eine Weiterentwicklung, bei der mehrere dieser Glaspipetten gleichzeitig die Aktivität und Konnektivität von mehreren Nervenzellen aufzeichnen.
Optogenetik
Die Optogenetik ist eine Kombination von optischen Techniken und genetischer Manipulation von Neuronen. Mit Optogenetik können Forschende das Genom von Nervenzellen so verändern, dass sie durch Licht gezielt aktiviert werden oder selbst Licht bei bestimmten Aktivitäten abgeben.
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Erkenntnisse und Implikationen für die Zukunft
Die Fortschritte in der Erforschung einzelner Neuronen haben bereits zu wichtigen Erkenntnissen über die Funktionsweise des Gehirns geführt. Dazu gehören:
- Spezifische Neuronen für die Erkennung: Einzelne Neuronen können selektiv auf bestimmte Reize reagieren, wie z.B. Gesichter oder Schriftzüge.
- Getrennte Verarbeitung von Inhalt und Kontext: Das Gehirn nutzt unterschiedliche Neuronengruppen, um Inhalt und Kontext von Erinnerungen getrennt zu speichern und dann miteinander zu verknüpfen.
- Alternative Mechanismen der Erinnerung von Reihenfolgen: Die Abfolge der Zellantworten im Gehirn entspricht nicht immer der Abfolge der Ereignisse, sondern kann durch ein komplexes Zusammenspiel von Bildpräsentationen, Hirnschwingungen und Zellsignalen entstehen.
- Gerichtete Netzwerk-Architektur: Die Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn erfolgt vorrangig in eine Richtung, was effizienter und leistungsfähiger ist als die schleifenartige Kommunikation in Tiermodellen.
Diese Erkenntnisse haben weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis des Gehirns und könnten zur Entwicklung neuer Therapien für neurologische und psychiatrische Erkrankungen beitragen.
Behandlung von neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen
Die Erforschung einzelner Neuronen könnte Anhaltspunkte für die Behandlung von psychiatrischen und neurodegenerativen Krankheiten liefern. Da Störungen der Zellkommunikation und Störungen der Energieversorgung zu neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen führen können, soll die Forschung auch klinische Bedeutung haben.
Verfeinerung der KI-Netzwerke
Die Erkenntnisse über die besonders ressourcenschonende Informationsverarbeitung in der menschlichen Hirnrinde könnten zur Verfeinerung der KI-Netzwerke beitragen.
Entwicklung von Medikamenten und Biomarkern
Durch die Untersuchung der Stoffwechselvorgänge in einzelnen Neuronen können Forscher Medikamente entwickeln und frühe Biomarker im Metabolismus finden, die Hinweise darauf liefern, dass etwas schief geht.