Ein rhodopsinbasierter, Zwei-Photonen-Spannungsindikator für die optische Kartierung synaptischer Verbindungen in vivo

• Antragstellerin: Dr. Christiane Grimm
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442616457

Die kausale Verbindung von Verhalten eines Tieres und der Aktivität entsprechender neuronaler Zellpopulationen stellt ein lang angestrebtes Ziel in den Neurowissenschaften dar. Zusätzlich, ist die Information über die synaptischen Verbindungen innerhalb dieser co-aktiven Neuronenpopulation unerlässlich um zu verstehen wie das Säugetiergehirn arbeitet und Verhalten kodiert. Die Entwicklung einer Methode zur gleichzeitigen Beobachtung und Manipulation neuronaler Aktivität, welche die nicht-invasive und chronische kartierung synaptischer Verbindungen erlaubt, würde daher die Neurowissenschaften revolutionieren. Momentan ist Zwei-Photonen-Calcium-Imaging die Methode der Wahl um die Aktivität großer Gruppen von Neuronen gleichzeitig zu verfolgen. Jedoch detektieren Calcium-Sensoren Aktionspotentiale nur indirekt und Änderungen des Membranpotentials unter der Schwelle für das Auslösen eines Aktionspotentials bleiben unentdeckt. Zusätzlich sind Calcium-Sensoren nicht in der Lage eine Hyperpolarisierung der Zellmembran nachzuweisen, was die Kartierung von Synapsen auf exzitatorische Verbindungen beschränkt. Der Übergang von Calcium- zu Spannungssensoren kann diese Limitierungen überwinden und stellt daher die nächste Herausvorderung in den Neurowissenschaften dar. Für eine effektive Nutzung wäre der ideale Spannungssensor genetisch kodiert, und erlaubte die Zwei-Photonen-Anregung um Phototoxizität und Hintergrundfluoreszenz zu reduzieren und die Eindringtiefe ins Gewebe zu erhöhen, aber gegenwärtige Sensoren zeigen nur beschränkte Sensitivität unter Zwei-Photonen-Anregung. Um diese Hürde zu überwinden, befasst sich dieses Projekt mit der Etablierung eines zwei-Photonen-aktivierten optischen Spannungssensors und dessen Kombination mit einem zwei-Photonen-aktivierten Kanalrhodopsin. Dieses genetisch kodierte, zwei-Photonen-aktivierte Werkzeug wird die Präsenz und Stärke synaptischer Verbindungen in einem nicht-destruktiven Experiment detektieren und die Kartierung von Synapsen mit hohem Durchsatz und sogar chronisch erlauben.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Frankreich, USA
• Gastgeberinnen / Gastgeber: Dr. Valentina Emiliani; Professor Rafael Yuste, Ph.D.