Zweiphotonen-Laserscanning-Mikroskop
Final Report Abstract
Das Gerät wurde, wie beantragt, zur Untersuchung der Rolle von juxtaglomerulären Zellen bei der Verarbeitung sensorischer Reize im Riechkolben der Maus eingesetzt. Mit ca. 1 200 000 Neuronen stellen die juxtaglomerulären (JG) Zellen die größte Neuronenpopulation des Riechkolbens dar. Innerhalb dieser Zellpopulation können anatomisch drei unterschiedliche Arten von Zellen unterschieden werden: periglomeruläre Zellen (PGZ, periglomerular cells), oberflächliche Zellen mit kurzen Axonen (superficial short-axon cells) und externe Büschelzellen (EBZ, external tufted cells). Etwa 55% der juxtaglomerulären Zellen sind GABAerg und ca. 12% dopaminerg, was dennoch einer Zellpopulation von rund 90.000 Zellen entspricht. Damit enthält die juxtaglomeruläre Region des Riechkolbens dreimal mehr dopaminerge Zellen als das gesamte dopaminerge System des tegmentalen Mittelhirns inklusive der gesamten Substantia nigra mit ihren etwa 30.000 Zellen. Da sich die intrazellulären in vivo Ableitungen der JG Zellen bedingt durch deren kleine Abmessungen als sehr schwierig erwiesen haben, waren die Funktion dieser Zellen und deren Rolle bei der Verarbeitung sensorischer Reize weitgehend unklar. Um die in vivo Untersuchungen dieser Zellen mittels Zwei-Photonen Mikroskopie zu ermöglichen, haben wir zwei komplementäre Verfahren einwickelt. Zum einen wurden die JG Zellen mit Hilfe des multi-cell bolus loading Verfahrens mit kleinmolekulären Ca2+ Indikator-Farbstoffen gefärbt und Mittels Zwei-Photonen Ca2+ Imaging kombiniert mit elektrophysiologischen in vivo Ableitungen einzelner Zellen am selben Tag untersucht. Zum anderen wurden die Zellen mit genetisch-kodierten Ca2+ Indikatoren markiert und über mehrere Wochen bis Monate beobachtet. In einer Zusammenarbeit mit O. Griesbeck (Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried) ist uns dabei gelungen einige neue genetisch-kodierte Ca2+ Indikatoren zu entwickeln. In der vor kurzem publizierten Arbeit (Homma et al., 2013) konnte in Zusammenarbeit mit L.B. Cohen, Yale University, New Haven und A. Konnerth, Institut für Neurowissenschaften, TU München gezeigt werden, dass die JG Zellen mehrere Eigenschaften des sensorischen Stimulus wahrnehmen. Deren Feuerverhalten hängt z.B. von der Identität des Odoranten, der Odoranten-Konzentration (e.g. Reizstärke) sowie dem Anfang und dem Ende der Geruchsstoff-Präsentation (d.h. der Dauer des sensorischen Stimulus) ab. Interessanterweise wurde die Reizstärke auf der Ebene einzelner Zellen (als relative Zunahme der Aktionspotentialfrequenz) und auf der Populationsebene (als Zunahme der Anzahl antwortender Neurone) kodiert. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die auf bestimmte Odoranten antwortenden JG Zellen ein bestimmtes Muster im Riechkolben bilden. Ca. 80% der antwortenden Zellen befanden sich in einem schmalen Streifen, der ≤ 20 µm von der Grenze des Glomerulus mit demselben Antwortverhalten entfern war. Dieses stereotype Aktivierungsmuster wurde für alle getesteten Odoranten bei allen physiologisch relevanten Konzentrationen beobachtet. Wir schlussfolgerten, dass ein Glomerulus samt sich in seiner unmittelbaren Nähe befindenden JG Zellen eine signalverarbeitende Einheit der Eingangsschicht des Riechkolbens darstellt. Zusätzlich haben wir in einer Zusammenarbeit mit M. Götz, Helmholtz Zentrum München damit begonnen, die Mechanismen der Integration der im Adulten neugebildeten juxtaglomerulären Neurone in das bestehende Netzwerk aufzuklären.
Publications
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Microglial calcium signal acts as a rapid sensor of single neuron damage in vivo. BBA - Molecular Cell Research 1813, 1014-1024, 2011
Eichhoff G, Brawek B, Garaschuk O
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High resolution in vivo imaging of microglia using a versatile non genetically-encoded marker. Eur. J. Immunol., 42, 2193-2196,2012
Schwendele B, Brawek B, Hermes M, Garaschuk O
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In vivo functional imaging of the olfactory bulb at single cell resolution. In: Neuromethods: Neuronal Network Analysis (Fellin T, Halassa M, eds). New York: Humana Press, 21-43, 2012
Fink S, Kovalchuk Y, Homma R, Schwendele B, Direnberger S, Cohen LB, Griesbeck O, Garaschuk O
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Monocyte repopulation of microglia-depleted brain reveals functional overlap between resident and infiltrating myeloid cells. PNAS USA 109, 18150-18155, 2012
Varvel NH, Grathwohl SA, Baumann F, Liebig C, Brawek B, Thal DR, Charo IF, Heppner FL, Aguzzi A, Garaschuk O, Ransohoff RM, Jucker M
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Imaging microcircuit function in healthy and diseased brain. Exp Neurol., 242, 41-49, 2013
Garaschuk O
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In vivo functional properties of juxtaglomerular neurons in the mouse olfactory bulb. Front Neural Circuits 7, 23, 2013
Homma R, Kovalchuk Y, Konnerth A, Cohen LB, Garaschuk O
