Wie Nervenzellen miteinander kommunizieren

Neue Visualisierungsmethode mit Goldpartikeln

Dr. Gáspár Jékely und sein Team vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben siGOLD entwickelt, ein Verfahren, das eine dreidimensionale Rekonstruktion verschiedener Nervenzellen und ihrer Kommunikation im Zellverbund ermöglicht.

Elektronenmikroskop-Bild einer Platynereis-Larve. Von einer solchen Larve wurden 5000 Gewebeschnitte angefertigt und die Nervenzellverbindungen, die Neuropeptide enthielten, wurden nach der Anfärbung mittels siGOLD rekonstruiert. (Foto: Réza Shahidi /Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie)

Goldpartikel, die an Antikörper gekoppelt sind, färben neuronale Signalmoleküle, die nur in bestimmten Nervenzelltypen vorkommen. siGOLD kombiniert diese molekularen Informationen mit hochauflösenden Bildern aus der Elektronenmikroskopie, um besser zu verstehen, wie Nervenzellen vernetzt sind.

Wissenschaftler versuchen schon lange zu verstehen, wie das Nervensystem funktioniert. Dazu müssen sie wissen, wie einzelne Nervenzellen miteinander verbunden sind. Eine Möglichkeit besteht darin, einen neuronalen Schaltplan zu erstellen, das so genannte Konnektom. Ein Konnektom ähnelt einem elektrischen Schaltplan und enthält Informationen über die Verbindungen von Neuronen (Axone und Dendriten) und wie diese über Synapsen miteinander in Verbindung stehen.

Nerven kommunizieren nicht nur über elektrische Signale, sondern auch über Signalmoleküle, so genannte Neuropeptide und Neurotransmitter, die von einer Nervenzelle zur anderen übertragen werden. Die Signalmoleküle werden von verschiedenartigen Neuronen produziert und bestimmen, wie die Nervenzellen einander beeinflussen.

Rekonstruierte Nervenzellen in einer Platynereis-Larve. Die bunten Nervenzellen wurden aus Elektronenmikroskop-Schnitten rekonstruiert. Die Neuropeptide in diesen Zellen wurden mittels siGOLD identifiziert. Jede Farbe repräsentiert ein anderes Neuropeptid. (Foto: Réza Shahidi /Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie)

Um die Neuropeptide direkt den entsprechenden Neuronen im Konnektom zuordnen zu können, haben Jékely und sein Team eine neue, hochauflösende und schnelle Methode entwickelt. Um ganze neuronale Schaltkreise zu rekonstruieren, müssen sehr dünne Gewebeschnitte des Nervengewebes im hochauflösenden Elektronenmikroskop (EM) dargestellt werden. Die Kombination der Einzelschnitte erlaubt, den Neuronen durch die Schnitte hindurch zu folgen.

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Die Wissenschaftler haben kleine Neuropeptide identifiziert, die sich für die EM eignen. Diese Neuropeptide kommen im ganzen Nervensystem vor, wobei jedes charakteristisch für eine bestimmte Art von Neuronen ist. Die Forscher synthetisierten Antikörper, die gezielt nur ein Neuropeptid erkennen. Diese Antikörper sind mit Goldpartikel gekoppelt, die die Neuropeptide als schwarze Punkte in den EM-Schnitten sichtbar machen. Die Wissenschaftler färbten verschiedene Schnitte mit unterschiedlichen Antikörpern, um verschiedene Neurone zu markieren. Die neue Methode haben die Forscher siGOLD (kurz für „serial-multiplex Immunogold“) getauft. siGOLD erlaubt die vollständige dreidimensionale Rekonstruktion von Nervenzellen und ihren Zellverbänden
Jékelys Gruppe arbeitet mit winzigen Larven des marinen Plancktons Platynereis dumerilii, einer Borstenwurm-Art. „Die Größe spielt eine wichtige Rolle“, so Jékely, „Platynereis ist ungefähr 12000 mal kleiner als ein Mäusehirn, so dass wir das neuronale Netzwerk der Larve durch serielle EM sehr viel schneller rekonstruieren können“.

Neuropeptide sind in Tieren weit verbreitet und wichtig für die Funktion des Nervensystems. Daher ist siGOLD auch für andere Organismen eine geeignete Methode. „Wir sind zuversichtlich, dass das siGOLD-Verfahren auch bei anderen Organismen anwendbar ist”, sagt Reza Shahidi, Erstautor der Studie. „Viele Neuropeptide der Platynereis-Larve, wie zum Beispiel Enkephalin, kommen auch in den Nervensystemen anderer Organismen vor.”

siGOLD macht es möglich, dass hochauflösende EM-Bilder und die Information, mit welchen Signalmolekülen einzelne Nervenzellen kommunizieren, verknüpft werden.

Zur Methode
Um zu verstehen, wie das Nervensystem funktioniert, brauchen Wissenschaftler nicht nur genaue Kenntnisse der Anatomie der Nervenverbindungen, sondern müssen auch wissen, welche Moleküle von jeder Nervenzelle eines Konnektoms ausgeschüttet werden. Synapsen, also die Verbindungsstellen zwischen zwei Nervenzellen, liegen im Nanometerbereich. Mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie kann man solche Nervenverbindungen erkennen.

Für die EM muss das Nervengewebe fixiert und in Plastik-Harz eingebettet werden. Dieses wird mit einer Diamantklinge in sehr dünne, meist nur 40 nm breite Scheiben geschnitten. Von jedem Schnitt wird dann ein sehr hoch aufgelöstes Bild aufgenommen, in dem man alle Membranen und Synapsen erkennen kann. Kombiniert man später die Schnitte, kann man den Nervenzellen durch alle Schnitte hindurch folgen und so eine 3D-Rekonstruktion des gesamten neuronalen Schaltplans erstellen. Réza Shahidi, Erstautor der Studie, hat 5000 einzelne Schnitte einer kompletten Larve des marinen Borstenwurms Platynereis dumerilii analysiert.

Bis zu diesem Zeitpunkt wissen die Forscher noch nicht, mit welchen Signalmolekülen die verbundenen Nervenzellen kommunizieren.

Der Nachteil bisheriger Verfahren, mit denen Neuropeptide sichtbar gemacht werden können, liegt darin, dass die Auflösung oft unzureichend ist. Außerdem sind für die Expression von bestimmten Markern gentechnische Methoden nötig. Dadurch können nur wenige unterschiedliche Marker eines einzelnen Organismus analysiert werden.

Jékely und seine Arbeitsgruppe identifizierten eine Reihe von Neuropeptiden, die die Fixierung und Aufbereitung für die Elektronenmikroskopie unbeschadet überstehen. Diese Antikörper sind mit winzigen Goldpartikeln verbunden, die das Anfärben einzelner Nervenzellen erst ermöglichen. Jékely und sein Team haben 11 unterschiedliche Antikörper verwendet und konnten so über 80 verschiedene Nervenzellen rekonstruieren.

Originalpublikation:
Réza Shahidi, Elizabeth A. Williams, Markus Conzelmann, Albina Asadulina, Csaba Verasztó, Sanja Jasek, Luis A. Bezares-Calderón and Gáspár Jékely: A Serial Multiplex Immunogold Labeling Method for Identifying Peptidergic Neurons in Connectomes. Veröffentlicht December 15, 2015. Cite as eLife 2015;10.7554/eLife.11147. DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.11147.

Ansprechpartner:
Gáspár Jékely
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie
E-Mail: gaspar.jekely@tuebingen.mpg.de

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