Forscher finden Strukturen, die bei Insekten eine schnelle Übertragung von Nervenimpulsen ermöglichen

Das Gehirn eines Tieres besteht aus zwei verschiedenen Zelltypen: Neuronen, die Informationen verarbeiten und übertragen, und Gliazellen, die die Neuronen auf vielfältige Weise unterstützen. Im Jahr 1871 wies der französische Anatom Louis-Antoine Ranvier etwas Besonderes über Neuronen bei Wirbeltieren nach: Auf den Fortsätzen dieser Nervenzellen befinden sich ringförmige Bereiche, denen eine umgebende Hülle fehlt – das von Gliazellen gebildete Myelin. Zusammen mit der elektrisch isolierenden Myelinscheide bilden die sogenannten Ranvier-Knoten die Grundlage dafür, dass elektrische Nervenimpulse sehr schnell über größere Entfernungen übertragen werden können. Sie „springen“ mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 Metern pro Sekunde von Knoten zu Knoten. Diese „Salzleitung“ gilt seit langem als spezifisch für Wirbeltiere.

Ein Forscherteam um den Neurobiologen Prof. Christian Klämbt von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster hat nun erstmals am Beispiel der Fruchtfliege (Drosophila melanogaster) gezeigt, dass es bei Insekten ähnliche Strukturen gibt. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift veröffentlicht eLife.

Für seine Arbeit analysierte das Team Fruchtfliegen und untersuchte dabei die Verteilung der Proteine, die für die neuronale Leitung notwendig sind. Mithilfe genetischer und mikroskopischer Methoden zeigten die Forscher, dass die dem Übertragungsprozess zugrunde liegenden ionenleitenden Natrium- und Kaliumkanäle ähnlich wie bei Wirbeltieren in Clustern angeordnet sind.

Wie das Team kürzlich in einer theoretischen Arbeit beschrieb, erfordert die lokale Ansammlung von Ionenkanälen eine strikte räumliche Trennung einzelner Axone, der Fortsätze der Nervenzellen. Bei Wirbeltieren wird dies durch das Glia-Myelin gewährleistet. Das Team zeigte, dass sich in Drosophila myelinähnliche Strukturen auch um Axone in der Nähe der Plasmamembranregion bilden, die die Ionenkanäle trägt. Wie bei Wirbeltieren wird das Myelin von bestimmten Gliazellen gebildet und ist eine Voraussetzung für eine schnelle und präzise Leitung.

„Wir haben erstmals sowohl die dedizierte Organisation der spannungsgesteuerten Ionenkanäle als auch den Aufbau myelinähnlicher Strukturen für Drosophila beschrieben“, sagt Christian Klämbt. „Außerdem konnten wir zeigen, dass Gliazellen die genetische Aktivität und die Positionierung neuronaler Ionenkanäle steuern.“ Die von den Forschern beschriebenen Ähnlichkeiten zwischen Wirbeltieren und Fruchtfliegen deuten darauf hin, dass das Auftreten von Ionenkanalclustern gepaart mit einer erhöhten Isolierung ein grundlegendes Konzept bei der elektrischen Informationsübertragung ist.

Die Arbeit des Teams trägt nicht nur zum Verständnis der Evolution des Myelins bei, sondern ermöglicht auch eine detailliertere Untersuchung der Biologie der Myelinbildung und -regeneration. Dies ist im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Multipler Sklerose von großer Bedeutung. Bisher konzentrierte sich die Behandlung auf die Unterdrückung der Entzündungsreaktion, eine wirksame Remyelinisierung konnte jedoch nicht gefördert werden. „Das bedeutet, dass unsere Erkenntnisse dazu beitragen werden, alternative Behandlungsformen für Multiple Sklerose zu entdecken“, sagt Christian Klämbt.

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forscher Methoden der Molekulargenetik in Kombination mit verschiedenen modernen bildgebenden Verfahren, darunter den Einsatz innovativer Elektronenmikroskopie zur Visualisierung markierter Proteine ​​sowie konfokaler Mikroskopie mit besonders hoher Auflösung.