Die Kunst der Neurowissenschaft: Synaptische Übertragung und Plastizität in isolierten Neuronen

Forschungsteam an der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften entwickelt innovatives Protokoll zur Untersuchung isolierter Paare von Hippocampus-Neuronen. Arbeit durch Titelseite in Bio-protocol Journal gewürdigt.

Krems (Österreich), 29. August 2023 – Die Analyse komplexer Interaktionen zwischen synaptischen Nervenenden sowie deren physiologischer Funktionen ist jetzt deutlich einfacher geworden. Dank einer von Wissenschaftlern der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (KL Krems) in Österreich entwickelten Methode ist es nun machbar, isolierte Neuronenpaare unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Außerdem ist es erstmals möglich, prä- und postsynaptische Effekte von Wildtyp- und/oder genetisch veränderten Synapsen in einem einfachen neuronalen Netzwerk zu analysieren. Dieser methodische Fortschritt wird die Untersuchung synaptischer Mechanismen erheblich erleichtern und gleichzeitig den Bedarf an Versuchstieren für solche Studien reduzieren. Die Arbeit wurde jetzt in Bio-protocol Journal veröffentlicht und dient in der neuesten Ausgabe als Titelstory.

Nervensignale werden schnell und über große Entfernungen geleitet. Dies erfordert komplexe physiologische Aktivitäten zwischen den Enden verschiedener Nervenzellen (Neuronen), den Synapsen. Hier werden Neurotransmitter freigesetzt und von Rezeptoren gebunden sowie durch spätere Aufnahmemechanismen wieder recycelt. Die Untersuchung dieser komplizierten Interaktion ist schwierig, da in den meisten etablierten Versuchsmodellen die einzelnen Nervenzellen mit vielen anderen Neuronen verbunden sind und die Aktivitäten an einer Synapse nicht als unabhängig von der Beeinflussung durch andere untersucht werden können. Darüber hinaus erlauben die meisten Versuchsaufbauten nur die Analyse der monodirektionalen Übertragung, d. h. die Untersuchung von prä- oder postsynaptischen Effekten und nur zwischen bestimmten Zelltypen. Eine von einem Forschungsteam im Fachbereich Physiologie der KL Krems entwickelte Methode ermöglicht nun erstmals solche Analysen.

Isolierung & Analyse

„Wenn man analysieren will, wie zwei einzelne Kinder miteinander interagieren, beobachtet man sie besser nicht im Trubel eines Kindergartens“, zieht Prof. Gerald J. Obermair eine Analogie zu seiner aktuellen Arbeit. „Man wartet, bis sie nur noch zu zweit sind. Genau das ermöglicht unsere Methode bei der Untersuchung von Neuronen.“ Tatsächlich erlaubt die neue Methode die experimentelle Analyse von isolierten Neuronen. Die Tricks, die Dr. Ruslan Stanika, Wissenschaftler in Obermairs Team an der Abteilung für Physiologie, anwendet, sind alles andere als Zauberei, sondern das Ergebnis ausdauernder harter Arbeit und Erfahrung. Diese waren nötig, um die genau richtigen Laborbedingungen zur Züchtung von Maus-Hippocampus-Neuronen zu finden und so bidirektionale Messungen der synaptischen Funktionen in isolierten, gepaarten Neuronen zu ermöglichen. Diese Methode wurde jetzt äußerst detailliert in Bio-protocol Journal veröffentlicht und steht Kolleginnen und Kollegen in aller Welt zur Verfügung. Auf diese Weise können sie alle von den zahlreichen Vorteilen profitieren, die diese Methode gegenüber den bisherigen Verfahren – die häufig auf mikrometerdünnen Schnitten von Mäusegehirnen beruhen – bietet.

Ein unmittelbarer Vorteil der Methode ist die einfache Identifizierung der Zellen, die für die Messungen verwendet werden können. Eine Aufgabe, die bei anderen Zellkulturprotokollen durch die übermäßige Vernetzung von Nervenzellen erschwert wird. Bei der neuen Methode werden alle für die Analyse verwendeten Synapsen allein zwischen den beobachteten Neuronenpaaren gebildet. Dies wiederum führt zu stärkeren postsynaptischen Antworten und ermöglicht somit die zuverlässige Erkennung von Veränderungen der postsynaptischen Rezeptorfunktion.

Hin und Her

Es gibt noch weitere Vorzüge dieser Methode, wie Prof. Obermair erklärt: „Beide Zellen des Neuronenpaars können als stimulierte (also präsynaptische) und innervierte (also postsynaptische) Neuronen fungieren. Dies ermöglicht zum ersten Mal die bidirektionale Messung der synaptischen Übertragung in isolierten gepaarten Neuronen.“ Dies ist besonders wichtig, da das Protokoll auch die genetische Veränderung eines der beiden gepaarten Neuronen erlaubt (durch Überexpression oder Ausschaltung bestimmter Gene). „Auf diese Weisekann man nun die prä- und postsynaptischen Folgen genetischer Veränderungen, zum Beispiel Krankheitsmutationen, in einem gepaarten Neuron im Vergleich zu synaptischen Verbindungen der normalen Zelle im selben neuronalen Netzwerk analysieren“, erklärt Dr. Stanika. Als ersten Proof of Conceptveränderten die beiden Wissenschafter der KL Krems in einer 2019 im Journal of Neuroscienceveröffentlichten Studie ein Protein (α2δ), das eine Untereinheit von Kalziumkanälen bildet und gleichzeitig als grundlegender „synaptischer Organisator“ fungiert.

Die Forschungsarbeit von Prof. Obermairs Team wurde mit dem Titelbild in der aktuellen Ausgabe von Bio-protocol Journal gewürdigt. Alles in allem legt die neue Methode den Grundstein für bedeutende Fortschritte in den Neurowissenschaften. Dies ist auch für Studierende eines geplanten PhD Programms in Mental Health and Neuroscience an der KL Krems von Interesse, die die Möglichkeit haben werden, eine der derzeit fortschrittlichsten Methoden zur Untersuchung von gepaarten kultivierten Hippocampus-Neuronen aus erster Hand zu lernen.

Bilder auf Anfrage verfügbar.

Originalpublikationen:

An ex vivo Model of Paired Cultured Hippocampal Neurons for Bi- directionally Studying Synaptic Transmission and Plasticity. Stanika, R. & Obermair, G. J. (2023). Bio-protocol 13(14): e4761. DOI: 10.21769/BioProtoc.4761.

Presynaptic α2δ-2 Calcium Channel Subunits Regulate Postsynaptic GABAA Receptor Abundance and Axonal Wiring. Geisler S, Schöpf CL, Stanika R, Kalb M, Campiglio M, Repetto D, Traxler L, Missler M, Obermair GJ (2019). J Neurosci. 39(14):2581-2605. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2234-18.2019. [Proof of concept study]

Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (Stand 2023)

An der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (KL) in Krems ist die umfassende Betrachtungsweise von Gesundheit und Krankheit eine grundlegende Zielsetzung für Forschung und Lehre. Die KL stellt mit ihrem europaweit anerkannten Bachelor-Mastersystem eine flexible Bildungseinrichtung dar, die auf die Bedürfnisse der Studierenden, die Anforderungen des Arbeitsmarkts ebenso, wie auf die Herausforderungen der Wissenschaft abgestimmt ist. In den Studienrichtungen Medizin und Psychologie studieren aktuell rund 700 Studierende. Die drei Universitätskliniken in Krems, St. Pölten und Tulln sowie die Partnerinnen Ionentherapie- und Forschungszentrum MedAustron in Wiener Neustadt und das Psychosomatische Zentrum Waldviertel in Eggenburg gewährleisten eine klinische Lehre und Forschung auf höchstem Qualitätsniveau. In der Forschung konzentriert sich die KL auf interdisziplinäre Felder mit hoher gesundheitspolitischer Relevanz – u.a. der Medizintechnik, der molekularen Onkologie, der mentalen Gesundheit und den Neurowissenschaften sowie dem Thema Wasserqualität und den damit verbundenen gesundheitlichen Aspekten. Die KL wurde 2013 gegründet und von der Österreichischen Agentur für Qualitätssicherung und Akkreditierung (AQ Austria) akkreditiert.