Zum Inhalt springen

Konnektomik

    Die Konnektomik bezeichnet die visuelle Darstellung der Verbindungen zwischen den Nervenzellen im Gehirn (Konnektom ist die Gesamtheit aller Verbindungen im Nervensystem eines Lebewesens). Die Konnektomik ist ein relativ junges Forschungsgebiet, in dem man die neuronalen Verbindungen in Arealen des Gehirns möglichst vollständig rekonstruieren will, wobei das nicht nur die Rekonstruktion der anatomischen Struktur der Nervenzellen beinhaltet, sondern auch der Verbindungen zwischen den Synapsen. Da ein einzelnes Neuron mit bis zu tausenden anderen Neuronen verbunden ist, und die Nervenzellen noch dazu extrem dicht gepackt sind, ist dies ein schwieriges und vor allem extrem zeitaufwändiges Unterfangen.

    Neuronale Netzwerke konnten bisher in Biopsien von Hirngewebe vermessen werden, jedoch nicht über die Zeit weiterverfolgt werden, vielmehr mussten viele Kartierungen von Proben aus verschiedenen Gehirnen durchgeführt werden. Im Vergleich zu elektronenmikroskopischen Untersuchungen, die tausende Stunden beanspruchen, benötigt die Analyse- und Rekonstruktionsphase noch wesentlich länger. Um diese Darstellung überhaupt in absehbarer Zeit zu ermöglichen, werden zwei Analysestrategien verfolgt, einerseits, die Erhöhung der eingesetzten Analyseleistung, andererseits die Entwicklung neuer Algorithmen, um die Gehirngewebsdaten effizienter analysieren zu können.

    Gour et al. (2020) benutzten Methoden aus der Konnektomik und haben die Entwicklung von inhibitorischen neuronalen Schaltkreisen kartiert, und berichten von mehreren sehr präzisen Konstruktionsprinzipien beim Aufbau der neuronalen Netzwerke, wobei ihre Ergebnisse ermöglichen, die Veränderung der neuronalen Netzwerkstruktur mit der Zeit zu verfolgen und in Momenten festzuhalten, in denen ein Individuum wächst und sich an seine Umgebung anpasst. Dafür analysierte man dreizehn dreidimensionale Datensätze aus dem Cortex von Mäusen in verschiedenen Entwicklungsstadien: nach der Geburt, zu Zeitpunkten, die mit denen von Babys, Kindern, Jugendlichen und jungen Erwachsenen vergleichbar sind. Sie fokussierten dabei auf die Synapsen einer bestimmten Art von Nervenzellen, den Interneuronen, von denen bekannt ist, dass sie die Aktivität anderer Neuronen auf hochspezifische Weise hemmen. Dabei konnte man die Entwicklung der synaptischen Partnerwahl für diese besondere Arten von Nervenzellen verfolgen. Überraschenderweise folgten verschiedene Arten von Interneuronen sehr unterschiedlichen Zeitverläufen, wobei einige Interneurone sich mit ihren synaptischen Partnern bereits in den frühesten Stadien der untersuchten Schaltkreise entsprechend den Gehirnen von Babys vernetzten, mit einer Präferenz, die der synaptischen Vorliebe in Schaltkreisen von Erwachsenen ähnelt. Dies geschah als die ersten chemischen Synapsen in der grauen Substanz des Cortex gebildet wurden. Andere Interneurone zeigten starke Verbesserungen bei der Ziel- und Partnerwahl, die höchstwahrscheinlich durch die Entfernung falsch platzierter Synapsen verursacht wurden. In früheren Studien hatte man schon entdeckt, dass während der Gehirnentwicklung Synapsen nicht nur neu gebildet werden, sondern manche bestehenden Synapsen wieder vernichtet werden müssen. Diese Synapseneliminierung (Pruning) leistet dabei eine präzise und spezifische Funktion für die Bildung hemmender Schaltkreise. Es zeigte sich auch, dass eine wichtige Klasse von Interneuronen, die Kronleuchter-Neuronen (Chandelier neurons), von denen angenommen wird, dass sie erst in der frühen Adoleszenz vollständig etabliert sind, eine viel frühere und systematischere Innervierung, d. h. Vernetzung, ihrer synaptischen Partnerstrukturen zeigen als bisher bekannt.


    Royero et al. (2022) haben jüngst gezeigt, wie Neuronen im Gehirn ihre Empfindlichkeit selbstständig steuern, indem sie dazu Nervenzell-Netzwerke, die unter anderem beim Sehen, Hören und bei Berührungen eine Rolle spielen, untersuchten. Die Neuronen in der Hirnrinde werden dabei durch die Signale aus dem Thalamus angeregt, Aktionspotenziale zu erzeugen, also kurze Spannungspulse, die dann an andere Stellen im Gehirn weitergeleitet werden. Damit das funktioniert, müssen die Nervenzellen sich auf die Intensität der erregenden Signale einstellen, indem sie etwa ihre Empfindlichkeit herunterregeln, wenn die eingehenden Reize sehr stark waren. Royero et al. (2022) haben nun entdeckt, dass das Enzym Ste20-like kinase (SLK) bei diesem Prozess eine Rolle spielt, indem es Nervenzellen in die Lage versetzt, ihre eigene Erregbarkeit individuell zu kalibrieren. Bei diesem Mechanismus spielen spezielle Nervenzellen, und zwar die Interneurone, eine wesentliche Rolle, indem diese hemmende Aktionspotenziale an erregte Nervenzellen senden und dadurch gewissermaßen an dem Knopf drehen, der ihre Empfindlichkeit reduziert. Das Enzym SLK bestimmt nun dabei, wie sehr dieser Regler durch die Interneurone verstellt werden kann, wie stark ihre Hemmwirkung also ist. Es gibt dabei zwei unterschiedliche Typen von Interneuronen, wobei die einen direkt durch die eingehenden Impulse aus dem Thalamus aktiviert werden, und die Nervenzellen schon hemmen, während diese gleichzeitig vom Thalamus erregt werden, und der ander Typ von Neuronen wird dagegen erst durch die Aktivität der Nervenzellen in der Hirnrinde angeschaltet, also exakt der Neuronen, die sie nachher hemmen sollen, d. h., sie sind Teil einer negativen Rückkopplungsschleife. Dabei ist das genante Enzym bei dieser rückgekoppelten Hemmung nicht aktiv, sondern nur im ersten Fall. Somit konnte man einen Mechanismus für die zellautonome Regulierung eines spezifischen inhibitorischen Schaltkreises identifizieren, der entscheidend dafür ist, dass eine Mehrheit der kortikalen Pyramidenzellen an der Informationskodierung teilnimmt.

    Literatur

    Berning, M., Boergens, K. M. & Helmstaedter, M. (2015). SegEM: Efficient Image Analysis for High-Resolution Connectomics. Neuron, doi: 10.1016/j.neuron.2015.09.003.
    Gour, Anjali, Boergens, Kevin M., Heike, Natalie, Hua, Yunfeng, Laserstein, Philip, Song, Kun, Helmstaedter, Moritz (2020). Postnatal connectomic development of inhibition in mouse barrel cortex. Science, doi:10.1126/science.abb4534.
    Royero, Pedro, Quatraccioni, Anne, Früngel, Rieke, Silva, Mariella Hurtado, Bast, Arco, Ulas, Thomas, Beyer, Marc, Opitz, Thoralf, Schultze, Joachim L., Graham, Mark E., Oberlaender, Marcel, Becker, Albert, Schoch, Susanne & Beck, Heinz (2022). Circuit-selective cell-autonomous regulation of inhibition in pyramidal neurons by Ste20-like kinase. Cell Reports, 41, doi:10.1016/j.celrep.2022.111757.
    Stangl, W. (2022, 7. Dezember). Selbständige Regulation der Erregbarkeit in Neuronen. Stangl notiert ….
    https://notiert.stangl-taller.at/grundlagenforschung/selbstaendige-regulation-der-erregbarkeit-in-neuronen/.


    Impressum ::: Datenschutzerklärung ::: Nachricht ::: © Werner Stangl :::

    Schreibe einen Kommentar

    Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

    //-->