Forschungsförderung: Gap Junctions der Netzhaut verstehen

Zwei Professoren der University of Houston (UH), Christophe Pierre Ribelayga und John O’Brien, haben drei Millionen US-Dollar erhalten, um Gap Junctions in der Retina und anderen Hirnregionen zu erforschen. Diese Forschungsarbeiten sollen helfen, das Gehirn besser zu verstehen und die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden zu unterstützen sowie Diagnosestellungen für Hirnstörungen und degenerative Erkrankungen zu ermöglichen.

Im Hochgeschwindigkeits-Supercomputer, dem menschlichen Gehirn, in dem schnelle Verbindungen als Reaktion auf äußere Reize hergestellt werden, arbeiten Neuronen oder einzelne Zellen, um Informationen mithilfe elektrischer Signale weiterzuleiten. Elektrische Synapsen oder Gap Junctions übertragen Informationen durch den direkten Fluss von elektrischem Strom an diesen Verbindungen, wodurch auch das “Motherboard” des Gehirns angekurbelt wird.

Gap Junctions bestehen aus Proteinkanälen, die benachbarte Zellen physisch verbinden. Sie unterstützen den schnellen Austausch kleiner Moleküle und Ionen und spielen eine wesentliche Rolle bei einer Vielzahl physiologischer Prozesse in fast jedem System des Körpers, einschließlich des Nervensystems.

Obwohl diese spezialisierten interzellulären Verbindungen sehr leistungsfähig sind, ist ihr Studium schwierig, da sie sehr klein sind. In der Regel werden sie deshalb zu wenig beachtet oder einfach ignoriert. Nun nehmen zwei Studien der University of Houston Gap Junctions genauer unter die Lupe.

„Ein besseres Verständnis könnte zur Entwicklung neuer Behandlungen oder Diagnosen für Hirnerkrankungen und degenerative Erkrankungen führen, aber aufgrund ihrer geringen Größe sind Gap Junctions in großen Datensätzen der seriellen Elektronenmikroskopie (EM) nicht sichtbar“, erklärt der Neurowissenschaftler Ribelayga. Er erhielt vom National Institute of Mental Health ein Stipendium in Höhe von 1,8 Millionen US-Dollar, um eine Methode zur detaillierten Analyse von Gap Junctions zu entwickeln.

„Die wichtigste Neuerung dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Ansatzes, der einige der größten Hindernisse überwinden soll, die unser Verständnis grundlegender integrativer Prozesse, die durch elektrische Synapsen unterstützt werden, bisher behindert haben“, so Ribelayga.

Um einen Ansatz für die Konnektivität von Gap Junctions in EM-Datensätzen zu entwickeln, hat Ribelayga ein besonderes Auge darauf, wie die neurale Netzhaut tagsüber und nachts Informationen verarbeitet und welche Rolle diese spezialisierten interzellulären Verbindungen in diesem Prozess spielen. Vor allem wird er Regionen der Netzhaut untersuchen, die Gap Junctions mit extrem unterschiedlichen Größen und Formen enthalten, um Struktur und Funktion zu korrelieren. Seine technischen Ansätze lassen sich auch problemlos auf andere Hirnregionen übertragen.

Eine weitere separate Untersuchung mit dem Titel „Regulation of Retinal Gap Junctions“ wurde mit 1,2 Millionen US-Dollar vom National Eye Institute finanziert und wird von Prof. John O’Brien geleitet. Das Projekt wird seine 20-jährige Erforschung der Gap-Junction-Plastizität fortsetzen, die nicht nur die Netzhaut, sondern auch ein breites Spektrum anderer neurologischer Funktionen betrifft.

„Gap Junctions in der Netzhaut haben einen tiefgreifenden Einfluss darauf, wie die Netzhaut eine visuelle Szene extrahiert und verarbeitet, und sie haben die Fähigkeit, neuronale Schaltkreise neu zu konfigurieren, um sich an dunkle oder helle Bedingungen anzupassen“, erklärt O’Brien. „Dieses Projekt hat mehr neue Fortschritte beim Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen gebracht als andere vergleichbare.“

Als nächstes soll herausgearbeitet werden, wie die Signalwege tief in Zellgerüste hineinreichen. Langfristig hofft O’Brien, gemeinsame Verbindungen zu erforschen, die Lösungen für häufige Probleme wie Kurzsichtigkeit und für seltene wie bestimmte Anfallsleiden im Kindesalter bringen können.