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Lasersystem zur optogenetischen Stimulation für die subzelluläre Untersuchung neuronaler Netzwerke

Fachliche Zuordnung Biomedizinische Systemtechnik
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 402988941
 
Erstellungsjahr 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zellkulturen aus induzierten pluripotenten menschlichen Stammzellen sind eine vielversprechende Möglichkeit für Bottom-up-Experimente an sich entwickelndem Gewebe mit Anwendungen z. B. in der patientenspezifischen Krankheitsmodellierung. Die Optogenetik hat sich als Instrument zur Untersuchung der Aktivität und funktionellen Konnektivität von Neuronennetzen etabliert, welche als Grundlage des Lernens und Gedächtnisses gelten. Sie umfasst genetische und optische Methoden zur zellspezifischen Steuerung erregbarer Zellen. Die systemtechnischen Herausforderungen für optogenetische Experimente an menschlichem neuronalen Gewebe sind vielseitig: Um geeignete Organoide reproduzierbar herzustellen, müssen für von Stammzellen abgeleitete menschliche Neuronen (iNGN) in vitro geeignete, zelltypspezifische genetische Manipulationsmethoden entwickelt werden. Auch muss die optische Stimulation von Einzelzellen bei gleichzeitig hoher zeitliche Auflösung ermöglicht werden, um Neuronengruppen auf der Zeitskala ihrer Aktionspotenziale zu steuern. Zur Adressierung dieser Herausforderungen wurde ein optischer Aufbau mit zwei Lasern (blau und gelb) für die unabhängige Ansteuerung von Ionenkanälen und -pumpen entwickelt. Zwei ferroelektrische Lichtmodulatoren können durch die Darstellung computergenerierter Hologramme beliebige Lichtmuster mit einer Rate von bis zu 1,7 kHz auf Gewebeproben projizieren, um schnelle Netzwerkstimuli, z. B. für die Untersuchung zeitabhängiger Signalverarbeitung, zu erzeugen. Zusätzlich wurden iterative Verfahren auf der Basis von Zernike-Polynomen implementiert, um systembedingte Aberrationen zu korrigieren. Es wurde ein optimiertes Langzeit-Zellkulturprotokoll basierend auf einer Co-Kultur von iNGN und primären Rattenastrozyten entwickelt, das die kontinuierliche Aufzeichnung der Entwicklung neuronaler Netzwerke ermöglichte. Auf dieser Grundlage haben wir elektrophysiologische Langzeitstudien an sich entwickelnden iNGN-Netzwerken durchgeführt, die Zugang zum Zeitverlauf verschiedener funktioneller Merkmale bieten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass iNGN-Netzwerke sehr wahrscheinlich Reifungsmuster der neuronalen Aktivität primärer kortikaler und hippocampaler Netzwerke widerspiegeln. Unsere holografische Stimulationsplattform konnte funktionelle Untereinheiten in neuronalen Netzwerken aufdecken, die sonst durch die Weitfeldstimulation unentdeckt geblieben wären. Außerdem ermöglichte die holografische Stimulation eine Korrelation der Elektrodenaktivität mit weit entfernten Neuronen. Somit kann die Ortsauflösung von Konnektivitätskarten erhöht werden, die sonst durch den Elektrodenabstand definiert ist. Die in diesem Projekt geschaffene Plattform aus Zellkultur und optischem System ist daher ein Ausgangspunkt für die Erfassung hochauflösender funktioneller Langzeitdaten einzelner Neuronen innerhalb größerer Netzwerke. Unsere Daten bieten einen erweiterten Blick auf genaue funktionelle Unterschiede während der Netzwerkreifung. Die Verfügbarkeit voll funktionsfähiger menschlicher Neuronen und die Kontrolle der Einzelzellaktivierung sind wichtige erste Schritte, um dieses Modellsystem als komplementäre Plattform zur Tierforschung in der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft zu etablieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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