Die Neurobiologie ist ein faszinierendes Feld, das sich mit dem Nervensystem auf verschiedenen Ebenen befasst - von der systemischen und zytologischen bis hin zur molekularbiologischen. An der Universität Heidelberg wird in diesem Bereich intensive Forschung betrieben, um die komplexen Mechanismen des Nervensystems zu verstehen und neue Therapieansätze für neurologische Erkrankungen zu entwickeln. Die Forschung umfasst die Erforschung kognitiver Wahrnehmungsprozesse, Sinnesphysiologie und Lernen und steht in wissenschaftlicher Partnerschaft mit Bereichen wie Humanmedizin, Veterinärmedizin, Humanbiologie, Neurophysiologie und Biotechnologie.
Interdisziplinäres Zentrum für Neurowissenschaften (IZN)
Das Interdisziplinäre Zentrum für Neurowissenschaften (IZN) an der Universität Heidelberg spielt eine zentrale Rolle in der neurowissenschaftlichen Forschung. Es fördert die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen, um ein umfassendes Verständnis des Nervensystems zu erreichen. Die Gründung des IZN war ein wichtiger Schritt zur Stärkung der Neurowissenschaften in Heidelberg.
Sonderforschungsbereiche (SFB)
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert Sonderforschungsbereiche (SFB) an Universitäten, um langfristige Forschungsprojekte zu unterstützen. An der Universität Heidelberg gibt es mehrere SFBs, die sich mit verschiedenen Aspekten der Neurobiologie befassen.
SFB 488: Molekulare und zelluläre Grundlagen der Entwicklung des Nervensystems
Der SFB 488, der im Januar 2000 seine Arbeit aufnahm, widmete sich den molekularen und zellulären Grundlagen der Entwicklung des Nervensystems. Ziel war es, zu verstehen, wie das Gehirn schrittweise entwickelt wird, wie verschiedene Zelltypen festgelegt werden, wie Zellen wandern und miteinander interagieren und wie sie miteinander kommunizieren. Ein weiteres wichtiges Thema war die Frage, warum viele Nervenzellen absterben, bevor ein Lebewesen überhaupt geboren wird.
Prof. Klaus Unsicker, der Sprecher des SFB 488, betonte, dass der SFB Beiträge zum Verständnis neuraler Funktionen leisten wollte. Es ging darum zu verstehen, wie wir fühlen, handeln, denken und uns freuen. Die molekularen Einzelheiten, die ein kleines Netzwerk von Nervenzellen funktionieren lassen, sind jedoch komplex und noch nicht vollständig verstanden. Der SFB 488 war der erste neurobiologische SFB, der sich ganz der Entwicklung des Nervensystems verschrieben hat.
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Die Forschung im SFB 488 umfasste ein breites Spektrum von Methoden, von genetischen und molekularen bis hin zu biochemischen, zellulären, physiologischen und morphologischen. Es wurden verschiedene Modelle verwendet, vom Nematoden C. elegans bis zu genetischen Mausmutanten. Der SFB war in vier Projektbereiche gegliedert:
- Molekulare Grundlagen der neuralen Induktion, Musterbildung und Zelldeterminierung
- Grundlagen von Wachstum und Wegfindung von neuronalen Zellfortsätzen
- Differenzierung von Nervenzellen
- Molekulare Grundlagen der Bildung von Synapsen und neuronalen Netzwerken
Die Gutachter der DFG bewerteten den SFB 488 positiv und hoben seine starken molekular-zellulären Wurzeln, kompetenten universitären Gruppen sowie die maßgeblichen Beiträge des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ), des Max-Planck-Instituts (MPI) und des Europäischen Molekularbiologischen Laboratoriums (EMBL) hervor.
Anknüpfung an frühere Erfolge
Der SFB 488 knüpfte an die Erfolge des SFB 317 "Molekulare Neurobiologie" an, der zuvor an der Universität Heidelberg existierte. Mehrere Arbeitsgruppen, die bereits im SFB 317 tätig waren, wurden Mitglieder des neuen SFB.
Bedeutung für Studierende
Studierende profitierten erheblich vom SFB 488, nicht nur durch neue Doktorandenstellen, sondern auch durch ein breiteres Seminar- und ein differenzierteres Unterrichtsangebot.
Möglicher Nutzen für die Medizin
Prof. Unsicker betonte, dass die Medizin von entwicklungsneurobiologischer Forschung profitieren kann. Viele molekulare und zelluläre Kaskaden, die bei degenerativen und regenerativen Prozessen im Gehirn ablaufen, wie bei der Parkinson- und Alzheimer-Krankheit oder der Multiplen Sklerose (MS), ähneln entwicklungsneurobiologischen Prozessen. Beispielsweise erfordert die Neubildung von Markscheiden bei der MS, dass Vorläuferzellen von Oligodendrozyten sich teilen, wandern und die spezifischen Eiweiße und Fette der Markscheiden neu bilden und in komplizierte Strukturen einbauen.
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Vision für die Zukunft
Prof. Unsicker wagte die Vision, dass die Neurowissenschaften im nächsten Jahrzehnt eine der Leitdisziplinen in den Biowissenschaften sein werden. In zehn Jahren wird sehr wahrscheinlich das komplette Genom des Menschen und der wichtigsten Modellorganismen bekannt sein. Viele Gene, die an der Regulierung normalen und abnormen Verhaltens beteiligt sind, werden bekannt sein und möglicherweise von außen beeinflusst werden können. Technologien wie der rasche Vergleich der gleichzeitigen Regulation von Tausenden von Genen, rasant schnelle Eiweißanalysen, Netzwerkbeobachtungen und Bioinformatik werden uns im Verständnis höherer Hirnfunktionen weit nach vorn gebracht haben.
Forschungsgruppe Translationale Neurobiologie
Die Forschungsgruppe Translationale Neurobiologie unter der Leitung von Prof. Dr. med. Lucas Schirmer wurde im Oktober 2018 gegründet. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit molekularen und zelltypspezifischen Mechanismen der Krankheitsprogression bei chronischen neuroinflammatorischen Prozessen wie bei der Multiplen Sklerose (MS).
Die Forschungsgruppe hat wichtige Mechanismen von neuronalen und axonalen Schädigungsmustern als pathologische Korrelate der permanenten neurologischen Behinderung bei der MS identifiziert. Bereits früh in der Läsionsentstehung zeigt sich eine relevante neuronale Stressreaktion, die zu Degeneration und zum Untergang von Nervenzellen bei MS-Patienten führt. Darüber hinaus konnte die Forschungsgruppe eine progrediente axonale Degeneration entlang langer kortikospinaler Bahnen im Laufe der Läsionsentwicklung zeigen, die einen wichtigen Beitrag zur permanenten Behinderung bei der MS darstellt. Mithilfe eines experimentellen Modellsystems konnte zudem gezeigt werden, dass eine Dysregulation und ein Verlust der Funktion des glialen Kaliumkanals Kir4.1 zu einer progredienten axonalen Schädigung und letztlich Degeneration führt.
Um molekulare und zelltypspezifische Mechanismen bei der chronischen Neuroinflammation zu untersuchen, arbeitet die Forschungsgruppe mit hochauflösenden Genexpressionsverfahren, um das Transkriptom einzelner Zellen im entzündeten Gewebe zu untersuchen (single-cell RNA-sequencing). In Kooperation mit lokalen, nationalen und internationalen Partnern werden diese Hochdurchsatzverfahren im Gewebe unterschiedlicher neuroinflammatorischer Krankheitsentitäten angewendet mit dem Ziel eines besseren Krankheitsverständnisses und einer Identifizierung neuer potentiell therapeutischer Zielstrukturen im Gewebe.
Die Forschungsgruppe beschäftigt sich prinzipiell mit zelltypspezifischer Heterogenität und Veränderungen von Immunzellsubtypen bei akuten und chronischen neuroinflammatorischen Erkrankungen des zentralen (MS, ADEM, NMO, MOGAD) und peripheren Nervensystems (GBS, CIDP) einschließlich entzündlicher Muskelerkrankungen (IBM, PM). Hierzu werden frische und kryokonservierte Proben von Patienten verwendet und zelltypspezifische Hochdurchsatzverfahren wie fluoreszenzbasierte Durchflusszytometrie und Einzelzellsequenzierungsverfahren angewendet.
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Beteiligung am Human Cell Atlas
Prof. Dr. med. Lucas Schirmer ist mit seinem Team an der Erforschung von Nerven- und Muskelzellen im Rahmen des internationalen Projekts Human Cell Atlas beteiligt. Die gesammelten Daten, etwa zu gesunden und entzündeten Zellen, werden in den Atlas integriert.
Abteilung für Neurologie
In der Abteilung für Neurologie werden Erkrankungen des zentralen und peripheren Nervensystems und der Muskulatur behandelt. Die Abteilung erbringt die gesamte neurologische Diagnostik und Therapie des Universitätsklinikums Heidelberg. Schwerpunkte der Abteilung sind die Neuroonkologie, Vaskuläre Neurologie, Neuroimmunologie, Akut- und Intensivneurologie, Neurodegenerative Erkrankungen und Bewegungsstörungen und Systemische Neurowissenschaften.
Künstliche Nervenzellen für die Datenklassifizierung
Wissenschaftler aus Berlin und Heidelberg haben eine neue Technologie entwickelt, die auf der parallelen Datenverarbeitung basiert. Beim sogenannten neuromorphen Computing übernehmen Neurone aus Silizium die Rechenarbeit auf speziellen Computerchips. Ähnlich wie unsere grauen Zellen im Gehirn sind sie untereinander verknüpft. Wird dieser Verband mit Daten gefüttert, arbeiten alle Silizium-Neurone parallel an der Lösung des Problems. Die genaue Art der Verknüpfung bestimmt hierbei, wie das Netzwerk die Daten verarbeitet. Einmal richtig verknüpft arbeitet das neuromorphe Netzwerk quasi von allein.
Die Forscher haben für einen solchen Chip ein Netzwerk entworfen - ein neuromorphes „Programm“ -, das eine grundlegende Rechenleistung lösen kann: Es ist in der Lage Daten unterschiedlicher Merkmale in Klassen einzuteilen. „Beim Entwurf der Netzwerkarchitektur haben wir uns vom geruchsverarbeitenden Nervensystem der Insekten inspirieren lassen“, erklärt Michael Schmuker, Erstautor der Studie. „Dieses ist von Natur aus für die hochparallele Verarbeitung der komplexen chemischen Welt optimiert.“ Gemeinsam mit Arbeitsgruppenleiter Martin Nawrot und Thomas Pfeil konnte er erstmalig zeigen, dass ein neuromorpher Chip eine solch komplexe Aufgabe lösen kann.
Computerprogramme, die Daten klassifizieren können, finden in den verschiedensten technischen Geräten Anwendung, etwa in Smartphones. Den neuromorphen Netzwerk-Chip könnten auch Super-Computer nutzen, die nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns gebaut werden, um sehr komplexe Aufgaben zu lösen. Mithilfe ihres Prototyps können die Berliner Wissenschaftler nun auch erforschen, wie sie Netzwerke konstruieren müssen, um den Besonderheiten dieser Gehirn-ähnlichen Computer gerecht zu werden.
CD95-Signalweg im zentralen Nervensystem
Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Dr. konzentrierte sich auf die Entschlüsselung der komplexen Rolle von CD95 im zentralen Nervensystem. Insbesondere wurde entdeckt, dass der CD95-Signalweg in neuronalen, Immun- und Tumorzellen unterschiedliche Aufgaben übernimmt. CD95 ist einer der Hauptauslöser für Zellmigration und Invasion, wodurch die Rekrutierung von Immunzellen sowie die Progression von Tumoren gesteuert werden. Darüber hinaus spielt CD95 eine entscheidende Rolle beim Überleben von Stammzellen und deren Differenzierung in verschiedene Linien.
Der aktuelle Forschungsschwerpunkt liegt in der weitergehenden Analyse der Rolle von CD95 in der Homöostase von Stammzellen und der Reaktion auf Verletzungen sowie der Untersuchung von CD95-induzierten Entzündungsreaktionen in neurodegenerativen Krankheiten wie z.B. Morbus Parkinson sowie Autoimmunkrankheiten. Weiterhin wird die Rolle von CD95 in Krebsstammzellen untersucht, welche aus Glioblastom- und Pankreasadenokarzinom-Gewebe isoliert wurden. Um die dem CD95-Signalweg zugrundeliegende Biologie eingehend zu untersuchen, kombinieren die Forscher sowohl biochemische und moderne Genomanalyse-Methoden, als auch zellbiologische und genetische Ansätze in humanen Zellen und in verschiedenen Mausmodellen.
Adulte Stammzellen sind in jedem Organ vorzufinden und spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewebehomöostase und der Reaktion auf Verletzungen. Immer mehr Moleküle, die bekannterweise für die Regulation der Stammzellhomöostase verantwortlich sind, werden auch als wichtige Faktoren für die axonale Regeneration entdeckt, und umgekehrt. Der zukünftige Schwerpunkt der Forschung liegt in der Untersuchung dieser Abläufe auf molekularer Ebene mit speziellem Augenmerk auf der Rolle des CD95- und Wnt-Signalweges und der RNA-Translation sowie dem RNA-Abbau. Ferner wird der Einfluss des Immunsystems auf diese Prozesse untersucht.
Abweichungen vom „Standardprogramm“ zur Kontrolle von Proliferation, Erhaltung und Differenzierung von Stammzellen bilden die Grundlage für die Entstehung von Tumoren. Darüber hinaus fördert die Interaktion des Immunsystems mit dem Tumor dessen Entwicklung und Wachstum. Erkenntnisse aus der Erforschung adulter Stammzellen werden auf die Analyse von humanen Krebsstammzellen übertragen und in Glioblastom- sowie Pankreasadenokarzinom-Mausmodellen weiterverfolgt. Das Forschungsinteresse richtet sich auf die Identifizierung von molekularen Mechanismen, die in der Stammzellbiologie entscheidend an der axonalen Regeneration, an der Tumorinitiation sowie -progression beteiligt sind.
Alzheimer-Forschung
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Neurobiologe Prof. Dr. Hilmar Bading von der Universität Heidelberg hat einen molekularen Mechanismus entdeckt, der wesentlich zur Progression der Alzheimer-Krankheit beiträgt. In gemeinsamen Experimenten mit Forschern der Shandong University (China) demonstrierte das Team anhand eines Alzheimer-Mausmodells, dass ein neurotoxischer Protein-Protein-Komplex für das Absterben von Nervenzellen im Gehirn und den daraus resultierenden kognitiven Abbau verantwortlich ist.
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