Neurobiologie

Nervenzellen auf Partnersuche

Auf die richtigen Verbindungen kommt es an – auch im Gehirn: Wo Milliarden Nervenzellen untereinander die richtigen Partner finden müssen, um sich zu vernetzen und Sinneseindrücke präzise zu verarbeiten, Lerninhalte korrekt abzuspeichern und Gefühl und Verstand sinnvoll zu verknüpfen.

Von links: Dr. Renato Frischknecht, Arthur Bikbaev und Dr. Martin Heine. (Foto: LIN / Reinhard Blumenstein)

Nur Nervenzellen, die miteinander verbunden sind, können gemeinsam feuern und Informationen kodieren. Dieser hochkomplexe Prozess vollzieht sich im Gehirn während der vorgeburtlichen Entwicklung sowie im Kinder- und Jugendalter. Er kann aber auch unter Laborbedingungen auf einer Leiterplatte studiert werden.

Arthur Bikbaev vom Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) in Magdeburg hat zusammen mit zwei Kollegen untersucht, wie Nervenzellen ihre Partner finden. Das Verblüffende dabei: die Aktivität der Nervennetze kann reguliert werden, indem man sie „entmantelt“. Das Fachmagazin Scientific Reports hat die Ergebnisse in seiner aktuellen Ausgabe vorgestellt.

„Neuronen wollen ihre Partner finden und sich über Netzwerke miteinander verbinden. Die Herausforderung für uns Wissenschaftler besteht darin, die einzelnen Verbindungen im Modell sichtbar und nachvollziehbar zu machen“, so Arthur Bikbaev. Die Wissenschaftler haben für ihre Experimente Nervenzellen aus Rattengehirnen isoliert und auf Chips – so genannten Multielektrodenarrays – wachsen lassen. Mit Hilfe der Elektroden auf dem Chip können sie einerseits die elektrische Aktivität der Neuronen messen und sehen, welche Nervenzellen aktiv sind und miteinander in Kontakt stehen. Andererseits ermöglicht der Chip, die Nervenzellen mit elektrischen Reizen auch gezielt zu beeinflussen. Bikbaev erklärt: „Nervenzellen kann man im Gehirn nie isoliert von anderen Einflüssen betrachten. In unserem Modell tun wir das jedoch. Diese Vereinfachung ist dabei für uns vorteilhaft, weil wir alle Einflussfaktoren kennen und berücksichtigen können.“

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Verbindungen von Nervenzellen sind nicht statisch, sondern aktivitätsabhängig ständigen Änderungen unterworfen. Die extrazelluläre Matrix ist eine Substanz, die die Nervenzellen „mantelartig“ umgibt und die Stabilisierung von Netzwerken ermöglicht. In der Studie gelang es dem Magdeburger Team, die Verbindungen von Neuronen zurückzusetzen und neue Verknüpfungen zu erschaffen: Die Forscher bauten dafür die vorhandene extrazelluläre Matrix um die Nervenzellen herum mit einem Enzym ab und konnten dann das erneute Reifen der neuronalen Netzwerke beobachten. Die „entmantelten“ Neuronen-Netze werden aktiver, sind aber auch weniger anfällig für Übererregungen, wie sie beispielsweise bei epileptischen Anfällen auftreten.

Anwenden lassen sich die Ergebnisse des Forscherteams in zweierlei Hinsicht: Zum einen können Medikamente preiswerter auf Nebenwirkungen getestet werden, wenn die Wirkungsweise von Substanzen auf Nervenzellen mit Hilfe von Chips geprüft wird. Zum anderen lassen sich damit Gehirn-Computer-Schnittstellen weiterentwickeln, indem Interaktionen quantifiziert werden können und erkennbar ist, wie Signale ver- beziehungsweise entschlüsselt werden.

Die Studie ist online verfügbar unter:
http://www.nature.com/articles/srep14527
Brain extrazellular matrix retains connectivity in neural networks
Arthur Bikbaev, Renato Frischknecht, Martin Heine

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