Aufklärung der Rolle von Astrozyten bei der strukturellen Plastizität dendritischer Spines in vivo

• Antragsteller: Dr. Steffen Burgold, seit 2/2017
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285728806

Synapsen spielen eine wichtige Rolle beim Lernen und Gedächtnis, da sie Orte von Zellkontakten darstellen, die die Transmission und Modulation von elektrischen Signalen im Gehirn und der Peripherie ermöglichen. Nach der Hebbschen Lernregel können Informationen durch Modulation der Stärke einzelner Synapsen im neuronalen Netzwerk gespeichert werden, wobei die Modulation selbst vom Aktivitätsmuster abhängt. Dennoch akkumulierte in der letzten Dekade überzeugende Beweise, dass im adulten Gehirn Synapsen neu geformt, eliminiert und stabilisiert werden können. Diese Prozesse wurden bekannt als strukturelle Plastizität und es wird angenommen, dass diese zu Lernen und Gedächtnis beitragen im Zusammenspiel mit synaptischer Plastizität. In den letzten zwei Dekaden wurde dieses bidirektionale Konzept um einen Partner erweitert - den astrozytischen Endfußprozessen, die die Mehrheit der Synapsen und ihren synaptischen Spalt umschließen. Diese funktionellen Einheiten des Gehirns wurden als Tripartitsynapsen bekannt und die Ansicht änderte sich von einer passiven zu einer eher aktiven Rolle von Astrozyten in diesen Strukturen. Obwohl das Wissen zu den Funktionen von Astrozyten stetig wächst, fehlen bisher Untersuchungen zur Rolle von Astrozyten bei der strukturellen Plastizität von Synapsen - besonders in vivo - aufgrund von methodischen Restriktionen. Mit neuen Mikroskopie Methoden ist es jetzt möglich diese Prozesse zu erforschen, um neue Erkenntnisse zu gewinnen, wie das Gehirn funktioniert und wie Informationen prozessiert und gespeichert werden. Dieses Wissen kann helfen, die zugrundeliegenden Mechanismen des Synapsenverlustes bei Krankheiten wie Demenz und anderen neurologischen Krankheiten aufzuklären. In unserer Studie wollen wir die Rolle von Astrozyten bei der strukturellen Plastizität von dendritischen Spines durch Verknüpfung zweier Mikroskopietechniken entschlüsseln. Die in vivo Zweiphotonen-Mikroskopie wird benutzt, um die Lebensdauer und Dynamik von dendritischen Spines über mehrere Wochen zu messen. Die Ultrastruktur der in vivo beobachteten Spines mit ihren dazugehörenden Partnern der Tripartitsynapse wird mittels 3D Elektronenmikroskopie bestimmt. Dieser enorme Aufwand ist notwendig, da die Auflösung der Lichtmikroskopie nicht ausreicht, um alle Partner der Tripartitsynapse und ihre geometrische Beziehung zueinander aufzulösen. Mit diesem Ansatz können wir den Zeitverlauf bestimmen - ähnlich eines Stop-Motion-Filmes - in dem die Astrozytenendfußprozesse den synaptischen Spalt nach Bildung eines neuen Spines umschließen. Zudem kann aufgeklärt werden, ob stabile langlebige Spines mit größerer Wahrscheinlichkeit Teil einer Tripartitsynapse sind als kurzlebige Spines. Für tiefere Einblicke in die astrozytische Funktion bei der strukturellen Plastizität, werden wir Veränderungen mit demselben experimentellen Setup nach Anwendung eines Paradigma zur erhöhten sensorischen Erfahrung, sowie der Modulation von astrozytischen Calciumsignalwegen messen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Mario M. Dorostkar, Ph.D., von 2/2017 bis 2/2017