Von der Anatomie zur aktiven Nervenzelle
Die Konnektomik rekonstruiert die Verbindungen im Nervensystem und macht Kontaktstellen zwischen Nervenzellen sichtbar. Ein solcher Schaltplan zeigt jedoch noch nicht, wie elektrische Aktivität innerhalb einer Zelle entsteht, sich ausbreitet und verändert. Dafür sind spannungsgesteuerte Ionenkanäle entscheidend: Diese Proteine sitzen in der Zellmembran und steuern die elektrische Erregbarkeit.
Die Studie erschien in Band 123, Ausgabe 40, der international begutachteten Fachzeitschrift „PNAS“.
Forschende des Gottfried Schatz Forschungszentrums der Med Uni Graz, des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz und der Universität Tübingen entwickelten Werkzeuge, mit denen sich körpereigene Ionenkanäle in ausgewählten Zellgruppen und einzelnen Nervenzellen markieren lassen. Untersucht wurden besonders stark ausgeprägte Kanäle in Nervenzellen, die bei Fruchtfliegen visuelle Bewegungen verarbeiten.
Ungleiche Verteilung verändert die Signalverarbeitung
Die Analysen zeigen, dass die Kanäle nicht gleichmäßig über die Nervenzelle verteilt sind. Stattdessen liegen sie in bestimmten Teilbereichen und erzeugen dort aktive Zonen. Das beeinflusst, wie eine Zelle Signale verstärkt, zusammenführt und auf Bewegungsrichtungen reagiert.
Das Team bestimmte sowohl die räumliche Lage der Kanäle als auch ihre Aktivierungs- und Inaktivierungseigenschaften. Diese Daten flossen in ein biophysikalisches Modell ein. Die Simulation bildete die Richtungsabstimmung sogenannter T5-Nervenzellen nach und machte die Funktion spannungsgesteuerter Natriumkanäle in nicht spontan feuernden Nervenzellen sichtbar.
Lukas Groschner von der Med Uni Graz erläutert, dass anatomische Verdrahtungspläne allein für realistische Modelle nicht ausreichen. Erst Informationen über Position und Funktion der Ionenkanäle erlauben es, aktive Vorgänge in einer einzelnen Nervenzelle genauer zu simulieren.
Grundlagenforschung mit mehreren Perspektiven
Viele Ionenkanäle der Fruchtfliege besitzen ähnliche Entsprechungen beim Menschen. Bestimmte Kanäle stehen auch mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie und chronischen Schmerzen in Zusammenhang. Die aktuelle Arbeit liefert allerdings keine neue Behandlung, sondern methodische und biologische Grundlagen für weitere Forschung.
Darüber hinaus könnten die Erkenntnisse für biologisch inspirierte Computertechnik interessant sein. Nervenzellen bewältigen komplexe Rechenaufgaben mit geringem Energieaufwand. Ein besseres Verständnis dieser Mechanismen kann langfristig Hinweise für die Entwicklung energieeffizienter, neuromorpher Mikrochips geben.
Beitragsbild: © Med Uni Graz.
