Moosfasern, die Detonationstheorie und räumliches Gedächtnis
An der räumlichen Navigation ist eine besondere Hirnregion beteiligt, der Hippocampus. Kernelement der Aktivität in dieser Hirnregion sind Moosfaser-Synapsen, die aufgrund der Schwellungen an ihren Axonen so genannt werden. Diese Nervenzellen sind auch am Kurzzeitgedächtnis beteiligt. Beweise für die Detonationstheorie sammeln Für die Erklärung wie der Hippocampus das Geradeauslaufen koordiniert, muss man zunächst alles über Moosfaser-Synapsen wissen und verstehen, wie sie Impulse übertragen. Ein Phänomen, das starke Auswirkungen auf die Informationsverarbeitung im Gehirn hat, ist der „Detonator-Effekt“. Er beschreibt den Moment, wenn die Moosfaser-Synapsen stark genug sind, einen einzigen präsynaptischen Impuls oder Nervenimpuls in einen postsynaptischen Impuls zu übertragen. Das EU-finanzierte und mit einem Marie Sklodowska-Curie-Stipendium geförderte Projekt IN VIVO MOSSY wollte die Detonationstheorie belegen oder widerlegen und hat dazu Mäuse im Wachzustand untersucht, die eine gerade Spur entlang laufen. Anders ausgedrückt wollten sie herauszufinden, ob die Moosfaser-Synapsen genügend Kraft aufbringen können, um den Impuls zum nächsten Neuron zu schicken. Der Stipendiat und Forschungsleiter Dr. Ben Suter skizziert die angewandte Methodik wie folgt: „Wir haben mit einer simultanen zweifarbigen Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung die präsynaptischen Moosfaserenden und postsynaptischen CA3-Pyramidenzellen von Mäusen untersucht, die im Wachzustand eine gerade Spur entlang laufen.“ Neue Bilder vom Hippocampus Der Hippocampus liegt tief im Gehirn und ist gefaltet, was die Aufnahme von qualitativ hochwertigen Bildern erschwert. Dieses experimentelle Problem konnte man lösen, indem die mechanischen und optischen Elemente sowie chirurgische Verfahren Schritt für Schritt optimiert wurden. „Diese verbesserten Techniken haben wir bereits an Kollegen weitergegeben, die an anderen EU-finanzierten Projekten arbeiten und jetzt auch diese Techniken nutzen“, so Dr. Suter. Eine unerwartete Herausforderung stellte die schwache Leistung eines wichtigen Geräts dar, das schlussendlich ausgetauscht wurde. Zwar sorgte das für eine beträchtliche Verzögerung im frühen Zeitplan von IN VIVO MOSSY, aber da die zugrunde liegenden technischen Probleme ausgemacht werden konnten, ergab sich ein tieferes Verständnis grundlegender Prinzipien und Grenzen der Hardware. So konnte ein neues, besser arbeitendes System beschafft, eingebaut und optimiert werden. „Die Bildgebung postsynaptischer Populationen hat bei Mäusen, die im Wachzustand eine Spur in der virtuellen Realität entlang laufen, problemlos funktioniert, aber die präsynaptische Bildgebung bisher noch nicht“, bemerkt Dr. Suter. Diese ersten Ergebnisse können nun auf der Konferenz der Society for Neuroscience 2018 vorgestellt werden. Bisher wurde der Forschungsfortschritt schon in Form von Postern auf mehreren wissenschaftlichen Tagungen präsentiert, wie zum Beispiel der Tagung der Österreichischen Gesellschaft für Neurowissenschaften 2017. Die Forschung geht weiter Nach dem Projektende von IN VIVO MOSSY werden die Forschungsarbeiten an Moosfaser-Synapsen fortgesetzt. „Dass wir hochqualitative live Bilder von einer sehr schwer erreichbaren Zielfläche im Gehirn bekommen haben, hat uns ermutigt, bereits geplante zusätzliche Experimente tatsächlich durchzuführen“, so Dr. Suter. Der Schwerpunkt liegt auf dem übergeordneten Ziel, eine synaptische Übertragung in Echtzeit aufzuzeichnen, sofort wenn sie passiert. Parallel haben die Forscher angefangen, erste Ergebnisse in der Forschungsgemeinschaft zu verbreiten und planen, die Endergebnisse zu veröffentlichen. Forschung zur Funktionsweise des Hippocampus zeigt neue Erkenntnisse dazu auf, wie Lernen und Gedächtnis, räumliche Navigation und Mustererkennung funktionieren. „Die technischen Fortschritte, die wir in den ersten zwei Jahren unserer Arbeit machen konnten, eröffnen Möglichkeiten, auch über die ursprüngliche Projektbeschreibung hinaus zusätzliche Forschungsfragen zu untersuchen, und wir wollen diesen in Zukunft nachgehen, wenn wir können“, so Dr. Suter abschließend.
