Ungarische Entdeckung könnte die Behandlung von Gedächtnisstörungen revolutionieren

Mit einem von ungarischen Forschern entwickelten Spezialmikroskop ist es gelungen, die Entstehung von Erinnerungen in Strukturen zu beobachten, die hundertmal dünner sind als ein menschliches Haar. Diese Entdeckung könnte neue Perspektiven für die Behandlung von Alters- und neurologischen Krankheiten eröffnen.

Die gemeinsame Forschung des Zuckerman-Instituts an der Columbia University in New York, des BrainVisionCenters (BVC) und des HUN-REN-Instituts für experimentelle Medizin (KOKI) hat zu revolutionären Ergebnissen geführt: Mit Hilfe eines in Ungarn entwickelten 3D-Laser-Scanning-Mikroskops konnte erstmals die Entstehung von Erinnerungen in lebenden Tieren im Bruchteil einer Sekunde beobachtet werden, und zwar in Strukturen, die 100 Mal dünner sind als ein menschliches Haar, so das Ungarische Forschungsnetzwerk (HUN-REN) in einer Mitteilung, die der MTI am Mittwoch zugesandt wurde. Die Studie wurde in der Dezemberausgabe der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Obwohl diese Theorie seit fast fünfzig Jahren bekannt ist, war es Wissenschaftlern bisher nicht möglich, diese synaptischen Veränderungen in einem lebenden Nagetier direkt zu beobachten. In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Mikroskopietechnik es den Forschern ermöglicht, die Aktivität von Gehirnzellen in lebenden, sich verhaltenden Tieren in Echtzeit zu untersuchen.

Um präzise genetische und molekulare Ziele und künftige Therapien zu identifizieren, brauchen wir tiefere Einblicke in die Mechanismen der Gedächtnisfixierung und -Bildung“,

betonte Attila Losonczy, leitender Forscher am Zuckerman Institute der Columbia University. Die therapeutische und diagnostische Arbeit, die auf der Erforschung dieser Mechanismen beruht, soll der Mitteilung zufolge zum Teil am BVC durchgeführt werden, das von Balázs Rózsa und Botond Roska gegründet wurde.

Der Hippocampus ist einer der am besten untersuchten Bereiche des Gehirns, aber die Forschung der letzten Jahrzehnte hat sich hauptsächlich auf EEG-Scans und Hirnschnittpräparate gestützt. Diese Methoden sind zwar notwendig, bieten aber nur begrenzte Möglichkeiten, da sie keine Echtzeit- und hochauflösenden Beobachtungen von Gehirnprozessen bei lebenden Tieren ermöglichen. Die Echtzeitbeobachtung neuronaler Netze ist für ein tieferes Verständnis der Hirnfunktion unerlässlich, was Technologien erfordert, die Zellen und Synapsen in großvolumigen Proben schnell und genau scannen können.

Die Arbeit von Attila Losonczy und seinem Forschungsteam, die in Nature veröffentlicht wurde, ist ein wichtiger Durchbruch in diesem Bereich. Ihr Ziel war es, eine Methodik zu entwickeln, mit der die langfristige synaptische Plastizität von Neuronen, die für Lernen und Gedächtnis verantwortlich sind, d. h. Veränderungen der Synapsenstärke (die Stunden oder Tage dauern können), in Echtzeit in lebenden Nagetieren gemessen werden kann.

Eine Schlüsselrolle bei diesem Durchbruch spielte die spezielle Technologie des Zwei-Photonen-Laser-Scanning-Mikroskops, die von dem Forschungsteam von KOKI unter der Leitung von Balázs Rózsa entwickelt und am BVC eingesetzt wurde. Ausgestattet mit einer 3D-Echtzeit-Bildstabilisierung ist das System in der Lage, die ständige Bewegung des Gehirns auszugleichen, was die Untersuchung seiner winzigen elementaren Bestandteile, Zellen und Zellfortsätze ermöglicht.

Bei Experimenten an lebenden Tieren können viszerale Bewegungen (z. B. Herzschlag, Atmung) und willentliche Bewegungen Verschiebungen von bis zu zehn Mikrometern verursachen, die deutlich größer sind als die Strukturen selbst. Dies wiederum macht Messungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung unmöglich, da die zu messenden biologischen Gebilde (Zellkörper, Zellfortsätze) dem Laserscan ständig ausweichen.

Die von uns entwickelte Femtosekunden-Laserabtastung (ein Milliardstel einer tausendstel Milliardstel Sekunde, die Zeit, die das Licht braucht, um 0,3 Mikrometer zurückzulegen, was etwa der Größe eines Bakteriums entspricht) gleicht die Bewegung in Echtzeit und in 3D aus“,

erläuterte Balázs Rózsa, Direktor des BVC und Mitautor der Veröffentlichung, den Nutzen der neuen Methode. Das Gerät kann die gesamte Aktivität in Strukturen beobachten, die nur ein Hundertstel so dick sind wie ein menschliches Haar, und ist schnell genug, um Veränderungen der Synapsenstärke zu erfassen, die in Sekundenhundertsteln auftreten. In Verbindung mit sogenannten Spannungssensoren hat das Mikroskopsystem erreicht, was bisher unmöglich schien: die Messung von Spannungssignalen auf der Ebene einer einzigen Synapse im Gehirn eines lebenden, sich verhaltenden Tieres.

Eine der größten Überraschungen für das Forscherteam war, dass sich die Synapsen der beobachteten Hippocampus-Neuronen (die sich im Schläfenlappen des Gehirns befinden und eine Schlüsselrolle beim Lernen, beim Gedächtnis und bei der räumlichen Orientierung spielen) entlang der verzweigten Fortsätze der Neuronen, den sogenannten Dendriten, nicht auf die gleiche Weise verhielten. Die Aktivität und die Stärke der Synapsen der Verzweigungen in der Nähe der Spitze der Pyramidenzellen änderten sich während der Experimente, während die Verzweigungen in der Nähe der Basis der Zellen dies nicht taten. „Es ist noch nicht klar, warum dies der Fall ist und warum dieser Mechanismus wichtig sein könnte“, erläuterte Attila Losonczy.

Wir wissen, dass Erinnerungen auf mehreren Ebenen organisiert sind, von Synapsen bis zu einzelnen Neuronen und neuronalen Schaltkreisen, und jetzt sehen wir, dass sie auch auf intrazellulärer Ebene organisiert sein können“,

fügte er hinzu. Dies ebnet den Weg für weitere Experimente, um zu verstehen, ob sich die Synapsenstärke ändert und welche molekularen, biochemischen und genetischen Veränderungen diese Stärke aufrechterhalten oder auf zellulärer Ebene stabilisieren, heißt es in der Mitteilung.

Via MTI Beitragsbild: Pixabay