Was passiert, wenn Nervenzellen ausfallen

Nervenzellnetzwerke aufgenommen mit High-Speed-Fluoreszenzmikroskopie und rekonstruiert mit der von Wrosch und Kollegen entwickelten Software. (Bild: FAU/Jana Wrosch)

Totalausfall im Gehirn

Schlaganfälle sind nur eine von vielen Krankheiten, bei denen die Kommunikation zwischen Nervenzellen unterbrochen wird. Auch bei Erkrankungen wie Depressionen und Demenzen finden Mikroausfälle im Gehirn statt. Meist kehrt die Funktion nach einiger Zeit wieder zurück, doch es bleiben oft Folgeschäden, sodass die Funktionsfähigkeit, wenn überhaupt, nur durch langwierige Behandlungen wiederhergestellt werden kann. Forscher der FAU haben deshalb untersucht, was während dieser Unterbrechungsphase passiert und welche Wege es gibt, um bleibende Schäden zu verhindern oder die Heilung zu beschleunigen. Ihre Erkenntnisse haben sie in der renommierten Fachzeitschrift Scientific Reports (doi: 10.1038/s41598-017-11729-5) veröffentlicht.

Die Forscher um Jana Wrosch vom Lehrstuhl für Psychiatrie und Psychotherapie der FAU haben festgestellt, dass während der blockierten Kommunikation starke Veränderungsprozesse in den Nervenzellen ablaufen. Die Nervenzellen-Netzwerke werden während der Unterbrechung neu vernetzt und hypersensitiv. Wenn die normalen Kommunikations-Autobahnen blockiert sind, gibt es im Gehirn ein Verkehrschaos, bei dem die Informationen ungeordnet über verzweigte Nebenstraßen und neue Trampelpfade umgeleitet werden. Überall werden Synapsen neu geschaffen und in Betrieb genommen. Wenn das Signal zurückkehrt, gibt es keine geordneten Informationsrouten mehr und die Funktionen müssen wie bei einem Kind neu gelernt werden. Weil die normalen Signale während der Unterbrechung fehlen, versuchen die Nervenzellen zusätzlich durch erhöhte Sensibilität ihren Input wiederzufinden. Wenn die Signale dann wiederkehren, kann es zu einer Überreaktion der Nervenzellen kommen.

Farbstoff lässt Nervenzellen blinken

Eine technische Herausforderung ist es, die mikroskopisch kleinen Verbindungen zwischen den Nervenzellen sichtbar zu machen. Bisher gängige Mikroskopieverfahren wie Elektronenmikroskopie erfordern immer eine Vorbehandlung der Nervenzellen, die untersucht werden. Dabei sterben die Nervenzellen ab und die Veränderungsprozesse der Zellen können nicht beobachtet werden. Das Team um Wrosch entwickelte deshalb ein High-Speed-Mikroskopie-Verfahren und eine spezielle statistische Rechensoftware, die es ermöglicht, die Kommunikationsnetzwerke lebender Nervenzellen sichtbar zu machen. Dafür wird von den Zellen ein Video aufgenommen, bei dem alle 36 Millisekunden ein Bild gemacht wird. Ein spezieller Farbstoff sorgt dabei dafür, dass einzelne Zellen immer dann aufblinken, wenn sie gerade ein Signal erhalten haben. Anschließend erkennt die entwickelte Software auf den Videobildern diese Zellen und ermittelt die Informationswege, über die Signale von Zelle zu Zelle weitergegeben werden.

Die Nervenzellen wurden mit dem Kugelfischgift Tetrodotoxin behandelt, um die Kommunikationsblockaden, die bei Krankheiten auftreten, im Labor zu simulieren. Nach unterschiedlich langen Blockadephasen entfernten die Forscher das Gift von den Zellen und konnten analysieren, wie sich die Nervenzellen-Netzwerke durch die Behandlung verändert haben. „Mit diesen Experimenten können wir endlich sichtbar machen, was während der Kommunikations-Blockade vor sich geht,“ berichtet Wrosch. „Nun können wir versuchen, Medikamente zu entwickeln, die diese schadhaften Veränderungen verhindern.“ In den nächsten Projekten konzentriert sich das Forscher-Team nun auf die genaue Wirkweise von Antidepressiva auf die Nervenzellen-Netzwerke und versucht, neue Ansätze für bessere Medikamente zu finden.

Weitere Informationen:

Jana Katharina Wrosch
Tel.: 09131/85-44294
jana.wrosch@uk-erlangen.de

Imagefilm der Friedrich-Alexander Universität

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