Die Verbindungen, die Nervenzellen im Gehirn eingehen, sind der Schlüssel für komplexe Denkvorgänge. Moderne Neurowissenschaft ermöglicht es, diese Verbindungen und ihre Kontaktstellen, die Synapsen, mit beispielloser Detailgenauigkeit aufzuzeichnen und zu verorten. Um diese anatomischen Schaltpläne für realistische Simulationen nutzen zu können, fehlen jedoch noch wichtige Daten: die Eiweißstoffe, die elektrische Aktivität überhaupt erst möglich machen und neuronale Schaltkreise so zum Leben erwecken. Die genaue Lokalisation dieser Kanäle innerhalb beziehungsweise an der Zelle ist von großer Bedeutung, weil sie es elektrischen Signalen ermöglichen, sich innerhalb einzelner Nervenzellen auszubreiten, zu summieren und zu verändern.
In einer in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlichten Studie haben Forscher*innen des Gottfried Schatz Forschungszentrums der Medizinischen Universität Graz, des Max-Planck-Instituts für biologische Intelligenz und der Universität Tübingen die räumliche Verteilung von Ionenkanälen im Gehirn der Fruchtfliege erfolgreich kartiert. Damit schließen sie die Lücke zwischen statischer Gehirnanatomie und dynamischer neuronaler Informationsverarbeitung.
Vom statischen Schaltplan zum aktiven Schaltkreis
Das Fachgebiet der Konnektomik widmet sich der Aufzeichnung von Verbindungen im Nervensystem. Es macht synaptische Kontakte zwischen Nervenzellen sichtbar, aber verrät nicht, wie sich elektrische Aktivität innerhalb einer einzelnen Zelle ausbreitet und verändert. Die funktionellen und strukturellen Analysen des Teams zeigen, dass eine ungleichmäßige Kanalverteilung aktive Regionen innerhalb einer Nervenzelle erzeugt und deren Funktion maßgeblich beeinflusst. Dies ermöglicht komplexe Rechenvorgänge wie Signalverstärkung und Bewegungserkennung direkt in den Feinstrukturen einzelner Nervenzellen.
„Zu wissen, wie Nervenzellen miteinander verdrahtet sind, ist essenziell, aber es ist nicht die ganze Geschichte“, sagt der federführende Autor Lukas Groschner vom Lehrstuhl für Molekularbiologie und Biochemie der Med Uni Graz. „Um zu verstehen, wie ein Netzwerk aus Nervenzellen rechnet, müssen wir wissen, wo genau in einer Zelle die molekularen Motoren – die Ionenkanäle – sitzen und was sie tun. Indem wir einen Katalog der Verteilung und Funktion von Kanälen erstellen und diese Informationen in biophysikalische Modelle integrieren, können wir aktive neuronale Prozesse realistisch simulieren.“
Bedeutung für Gesundheit und bio-inspirierte Technologien
Da die meisten Ionenkanäle der Fruchtfliege in ähnlicher Form auch im Menschen vorkommen und mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie und chronischen Schmerzen in Verbindung stehen, eröffnet dieser Ansatz neue Wege für die Entwicklung von Arzneimitteln. Darüber hinaus bietet die Erforschung der Mechanismen, mit denen die Biologie energieeffiziente neuronale Berechnungen erzielt, wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung biologisch inspirierter Mikrochips.
Link zur Publikation:
Distribution and voltage dependence of ion channels shape single-neuron computations
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2610600123
Lukas Groschner, Credit: Med Uni Graz
