Rolle von Sub-Delta Kalziumwellen für kortikale Entwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Förderung durch die DFG ermöglichte die Erforschung einer neuen Form neuronaler Aktivität in sich entwickelnder Großhirnrinde der Säuger. Diese neuartigen spontanen Ca2+ Wellen sind erst am Tag 8 nach der Geburt nachweisbar und kommen in mehreren, wenn nicht allen sensorischen Kortexarealen vor. Vor dem Beginn der Verarbeitung sensorischer Reize (wie z. B. das Augenöffnen im visuellen und der Beginn des Hörens im auditorischen System) aktivieren diese Ca2+ Wellen die Mehrheit der Cortex-Neurone (> als 75% aller Zellen). Die Ca2+ Wellen sorgen für eine starke, periodisch wiederkehrende, oszillationsartige Erhöhung der intrazellulären Ca2+ Konzentration und spielen dadurch höchstwarscheinlich bei der Genexpression, Wachstum und Differenzierung der Zellen eine wichtige Rolle. Die Wellen werden abwechselnd von unterschiedlichen kortikalen Schrittmachern getriggert und breiten sich mit einer Geschwindigkeit von 1-30 mm/s in unterschiedliche Richtungen aus. Dadurch werden die sich entwickelnden Cortex-Neurone mit jeder Welle zu einer anderen aktiven Einheit zusammengebunden. Im visuellen Cortex können diese spontanen Ca2+ Wellen noch vor dem Augenöffnen durch sensorische Reize getriggert werden und tragen damit zu Lichtwahrnehmung (in Form eines primitiven Sehens durch geschlossene Augenlieder) bei. Im Laufe der Entwicklung wird diese Aktivität spärlicher, sodass drei bis vier Wochen nach der Geburt nur noch ca. 12% der Schicht 2/3 Zellen durch eine Ca2+ Welle aktiviert werden. Diese entwicklungsbedingte Änderung des Aktivitätsmusters der Ca2+ Wellen ist durch intrinsische Faktoren (wie z.B. eine Reifung der GABA-vermittelten synaptischen Hemmung) bedingt, wird aber durch die Anwesenheit sensorischer Reize wesentlich beschleunigt. So halbiert sich beim erblicken des Tageslichtes die Zahl aktiver Zellen pro Ca2+ Welle von ca. 60% am Tag des Augenöffnens auf nur noch 36% ein Tag später. Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass neuronale Netzwerke in sensorischen Kortexarealen des Säugerhirns sich nach einem bestimmten Muster entwickeln. Den Antrieb für die Entwicklung liefern zuerst die spontanen Ca2+ Wellen, dann die durch die sensorischen Reize getriggerten Ca2+ Wellen und schließlich die sensorisch-evozierte Netzwerkaktivität. Dieses Entwicklungsmuster gilt offenbar für alle Säuger, da es in Mäusen (diese Arbeit), Ratten und Menschen beobachtet werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008) Clusters of hyperactive neurons near amyloid plaques in a mouse model of Alzheimer’s disease. Science 321, 1686-1689
Busche M.A., Eichhoff G., Adelsberger H., Abramowski D., Wiederhold K.H., Haass C., Staufenbiel M., Konnerth A., Garaschuk O.
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(2009) In vivo Ca2+ imaging of the living brain using multi cell bolus loading technique. In: Neuromethods series: Calcium measurements in neural cells (Verkhratsky and Petersen, ed), New York: Humana Press., vol. 43, 205-220
Eichhoff G, Kovalchuk Y, Varga Z, Verkhratsky A, Garaschuk O
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(2009) Monitoring Calcium Levels With Genetically Encoded Indicators. In: Neuromethods series: Calcium measurements in neural cells (Verkhratsky and Petersen, ed), New York: Humana Press., vol. 43, 101-117
Garaschuk O, Griesbeck O
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(2009) Sparsification of neuronal activity in the visual cortex at eye-opening. PNAS USA 106, 15049-15054
Rochefort NL, Garaschuk O, Milos, RI, Narushima M, Marandi N, Pichler B, Kovalchuk Y, Konnerth A
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(2009) Wide-field and two-photon imaging of brain activity with voltage- and calcium-sensitive dyes. Phil. Trans. R. Soc. B, 364: 2453–2467
Homma R, Baker BJ, Jin L, Garaschuk O, Konnerth A, Cohen LB, Zecevic D
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(2010) Intracellular calcium signaling in Alzheimer's disease. J. Cell. Mol. Med. 14, 30-41
Hermes M, Eichhoff G, Garaschuk O
