Wissenschaftler gewinnen Einblicke in die Neuronenfunktion, indem sie gleichzeitig zwei Schlüsselsignale in lebenden Tieren messen

Forscher der Kyushu-Universität haben eine innovative Technik entwickelt, um zwei Schlüsselsignale, Membranspannung und intrazelluläre Kalziumspiegel, gleichzeitig in Neuronen wacher Tiere nicht-invasiv zu messen. Diese neue Methode bietet ein umfassenderes Verständnis der Funktionsweise von Neuronen und zeigt, dass diese beiden Signale unterschiedliche Informationen für Sinnesreize kodieren. Die Forschung war veröffentlicht In Kommunikationsbiologie am 16. September 2024.

Neuronen sind Zellen, die als Grundbausteine ​​des Gehirns fungieren und Informationen über elektrische Signale übertragen. Wenn ein Neuron einen Reiz empfängt, lösen Änderungen der Membranspannung (die elektrische Ladung an der Zellmembran des Neurons) die Aktivierung des Neurons aus, was dazu führt, dass sich schnelle Änderungen der Membranspannung als elektrisches Signal entlang des Neurons ausbreiten. Diese Veränderungen der Membranspannung führen dann zu Veränderungen des intrazellulären Kalziums (Kalziumspiegel innerhalb der Neuronen).

In der Vergangenheit waren für die Messung der Membranspannung invasive Techniken mit Elektroden erforderlich. Als nicht-invasive Alternative haben Wissenschaftler Techniken zur Messung der Kalziumaktivität mithilfe fluoreszierender Proteine ​​entwickelt, die als Sensoren auf Kalziumionen reagieren und so einen indirekten Proxy für die Neuronenaktivität liefern. Diese unterschiedlichen Methoden führen jedoch dazu, dass die beiden Signale fast immer getrennt untersucht wurden, was es schwierig macht, ihre Interaktion in Echtzeit zu verstehen und ihre unterschiedlichen Funktionen bei lebenden Tieren zu identifizieren.

Neue Fortschritte in der Entwicklung fluoreszierender Proteine, die auf Änderungen der Membranspannung reagieren, bedeuten nun, dass sowohl Kalziumionensensoren als auch Membranspannungssensoren gleichzeitig verwendet werden können.

„Die gleichzeitige Messung intrazellulärer Kalziumionen und Membranspannung kann uns helfen zu verstehen, wie Neuronen Informationen für die sensorische Verarbeitung in neuronalen Schaltkreisen kodieren“, sagt der leitende Autor Professor Takeshi Ishihara von der Fakultät für Naturwissenschaften der Kyushu-Universität.

In Zusammenarbeit mit der Fakultät für Informatik und Systemtechnik am Kyushu Institute of Technology entwickelten Ishihara und seine Kollegen eine Methode zur gleichzeitigen Messung von intrazellulärem Kalzium und Membranspannung in Neuronen lebender Tiere. Durch die Aufnahme von Bildern unter dem Mikroskop mit einer hohen Geschwindigkeit von 250 Bildern pro Sekunde und den Einsatz modernster Bildverarbeitung konnten die Forscher kleine und schnelle Schwankungen in der Fluoreszenzintensität der Kalziumionensensoren und Membranspannungssensoren erkennen.

Mit dieser neu entwickelten Technik konzentrierten sich die Wissenschaftler darauf, wie Riechneuronen in Caenorhabditis elegans – winzigen Fadenwürmern, die häufig als Modellorganismus in der neurowissenschaftlichen Forschung verwendet werden – auf Geruchsstoffe reagieren.

Die Forscher fanden heraus, dass diese Neuronen ihre Membranspannung und den intrazellulären Kalziumspiegel veränderten, wenn sie Gerüchen ausgesetzt wurden. Wichtig ist, dass das Forschungsteam zum ersten Mal enthüllte, dass diese Signale separate Informationen kodieren. Während die Membranspannung das Vorhandensein eines Geruchs anzeigte, spiegelten die intrazellulären Kalziumspiegel die Konzentration des Geruchs wider. Durch die gleichzeitige Messung beider Signale konnten die Forscher besser verstehen, wie das Gehirn sensorische Eingaben verarbeitet und unterscheidet.

Darüber hinaus identifizierten die Autoren zwei Ionenkanäle, die für die durch sensorische Stimulation ausgelöste Änderung der Membranspannungen wesentlich sind. Das Team fand außerdem heraus, dass ein Protein namens ODR-3, das an der Signalübertragung in Neuronen beteiligt ist, eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung der Membranspannung spielt. Dies verhindert, dass Neuronen als Reaktion auf irrelevante Reize falsch feuern, und reguliert den Zeitpunkt und das Ausmaß der Reaktionen auf Gerüche.

Zukünftig könnten gleichzeitige Messungen der Membranspannung und des intrazellulären Kalziums auch in den Neuronen komplexerer Tiere oder in anderen Neuronentypen durchgeführt werden, was möglicherweise Erkenntnisse über die Informationskodierung in neuronalen Schaltkreisen liefern könnte.

Ishihara teilt seine abschließenden Gedanken mit: „Diese simultanen Hochgeschwindigkeitsmessungen offenbaren die unterschiedlichen Funktionen der Membranspannung und der intrazellulären Kalziumionensignale, die durch die sensorischen Reize induziert werden. Diese Ergebnisse könnten zu einem besseren Verständnis der sensorischen Verarbeitung im Zentralnervensystem führen.“ , nicht nur in einfachen Modellsystemen wie Nematoden, sondern auch in höheren Organismen.“