Neuronen erforschen leicht gemacht

Die Analyse komplexer Interaktionen zwischen synaptischen Nervenenden sowie deren physiologischer Funktionen ist jetzt deutlich einfacher geworden. Dank einer von Wissenschaftlern der Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (KL Krems) in Österreich entwickelten Methode ist es nun machbar, isolierte Neuronenpaare unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.

Nervensignale werden schnell und über große Entfernungen geleitet. Dies erfordert komplexe physiologische Aktivitäten zwischen den Synapsen. Hier werden Neurotransmitter freigesetzt und von Rezeptoren gebunden sowie durch spätere Aufnahmemechanismen wieder recycelt. Die Untersuchung dieser komplizierten Interaktion ist schwierig, da in den meisten etablierten Versuchsmodellen die einzelnen Nervenzellen mit vielen anderen Neuronen verbunden sind und die Aktivitäten an einer Synapse nicht als unabhängig von der Beeinflussung durch andere untersucht werden können. Darüber hinaus erlauben die meisten Versuchsaufbauten nur die Analyse der monodirektionalen Übertragung und nur zwischen bestimmten Zelltypen.

Isolierung und Analyse

„Wenn man analysieren will, wie zwei einzelne Kinder miteinander interagieren, beobachtet man sie besser nicht im Trubel eines Kindergartens“, zieht Prof. Gerald J. Obermair eine Analogie zu seiner aktuellen Arbeit. „Man wartet, bis sie nur noch zu zweit sind. Genau das ermöglicht unsere Methode bei der Untersuchung von Neuronen.“ Tatsächlich erlaubt die neue Methode die experimentelle Analyse von isolierten Neuronen. Die Tricks, die Dr. Ruslan Stanika, Wissenschaftler in Obermairs Team an der Abteilung für Physiologie, anwendet, sind alles andere als Zauberei, sondern das Ergebnis ausdauernder harter Arbeit und Erfahrung. Diese waren nötig, um die genau richtigen Laborbedingungen zur Züchtung von Maus-Hippocampus-Neuronen zu finden und so bidirektionale Messungen der synaptischen Funktionen in isolierten, gepaarten Neuronen zu ermöglichen. Die Methode wurde jetzt im „Bio-protocol Journal“ veröffentlicht und steht Kollegen in aller Welt zur Verfügung. Auf diese Weise können sie alle von den zahlreichen Vorteilen profitieren, die diese Methode gegenüber den bisherigen Verfahren – die häufig auf mikrometerdünnen Schnitten von Mäusegehirnen beruhen – bietet.

Ein unmittelbarer Vorteil der Methode ist die einfache Identifizierung der Zellen, die für die Messungen verwendet werden können. Eine Aufgabe, die bei anderen Zellkulturprotokollen durch die übermäßige Vernetzung von Nervenzellen erschwert wird. Bei der neuen Methode werden alle für die Analyse verwendeten Synapsen allein zwischen den beobachteten Neuronenpaaren gebildet. Dies wiederum führt zu stärkeren postsynaptischen Antworten und ermöglicht somit die zuverlässige Erkennung von Veränderungen der postsynaptischen Rezeptorfunktion.

Hin und Her

Es gibt noch weitere Vorzüge dieser Methode, wie Obermair erklärt: „Beide Zellen des Neuronenpaars können als stimulierte (also präsynaptische) und innervierte (also postsynaptische) Neuronen fungieren. Dies ermöglicht zum ersten Mal die bidirektionale Messung der synaptischen Übertragung in isolierten gepaarten Neuronen.” Dies ist besonders wichtig, da das Protokoll auch die genetische Veränderung eines der beiden gepaarten Neuronen erlaubt (durch Überexpression oder Ausschaltung bestimmter Gene). „Auf diese Weisekann man nun die prä- und postsynaptischen Folgen genetischer Veränderungen, zum Beispiel Krankheitsmutationen, in einem gepaarten Neuron im Vergleich zu synaptischen Verbindungen der normalen Zelle im selben neuronalen Netzwerk analysieren”, erklärt Stanika. Als ersten Proof of Concept veränderten die beiden Wissenschafter der KL Krems in einer 2019 im „Journal of Neuroscience“ veröffentlichten Studie ein Protein (α2δ), das eine Untereinheit von Kalziumkanälen bildet und gleichzeitig als grundlegender „synaptischer Organisator“ fungiert.

Die Forschungsarbeit von Obermairs Team wurde mit dem Titelbild in der aktuellen Ausgabe von „Bio-protocol Journal“ gewürdigt.