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Nanoscale Analytical Methods to gain insight into the Initiation of Short-Term Memory

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Neue Erkenntnisse zum Kurzzeitgedächtnis

Eine wegweisende Forschungsarbeit enthüllte neue Einzelheiten zu chemischen Prozessen, die für Speicherprozesse im Kurzzeitgedächtnis wichtig sind, was den Weg für neue therapeutische Möglichkeiten gegen Alzheimer-Demenz ebnen könnte.

Gesundheit

Als häufigste Ursache für Pflegebedürftigkeit und Behinderung betrifft Demenz in Europa derzeit rund 10 Millionen Menschen. Die Erkrankungshäufigkeit könnte sich bis 2030 verdoppeln, wobei die Alzheimer-Krankheit die häufigste Form von Demenz ist. Das EU-finanzierte Projekt NAMISTMem untersuchte im Detail, wie Erinnerungen im Kurzzeitgedächtnis (short-term memory, STM) gespeichert werden, und entwickelte Analysemethoden zur Klärung der beteiligten chemischen Prozesse. Dies könnte den Weg für neue Therapien bei Krankheiten ebnen, die Erinnerungsvermögen und kognitive Leistung beeinträchtigen. Neuronen sind Gehirnzellen, die vor allem Informationen übertragen. Diese Informationsübertragung kann auf zwei Arten erfolgen: einmal durch elektrische Signale zwischen Poren von Zellen, aber auch auf chemischem Weg, indem aus Vesikeln Botenstoffe bzw. Neurotransmitter freigesetzt werden. Grundlage dieser Neurotransmission ist die sogenannte Exozytose. „Wir wollten nun Zusammenhängen zwischen intrazellulären Veränderungen bei Lipiden und Gedächtnis- bzw. kognitiven Störungen auf den Grund gehen“, erklärt Andrew Ewing, Professor am Institut für Chemie und Molekularbiologie der Universität Göteborg, Schweden, und Projektkoordinator von NAMISTMem. Die Membranen von Vesikeln und Zellen bestehen aus Lipidschichten. In Abhängigkeit eines Stimulus erfolgt ein Lipidaustausch zwischen Vesikeln und Zellmembranen, der sich auf die Neurotransmission auswirken kann, „sodass daraufhin Erinnerungen im Kurzzeitgedächtnis gespeichert werden“, erklärt Ewing.

Erforschung der Gedächtnisbildung

Wie sich bei der Neurotransmission Lipidveränderungen auf die Membrandynamik auswirken, wird derzeit mit modernsten neurowissenschaftlichen Methoden erforscht. Hierfür werden analytische Methoden benötigt, die die Stärke der Neurotransmission direkt, auf Einzelzellebene und in Echtzeit messen können. „In früheren Studien wurden dem Kulturmedium von Zellkulturen Lipide zugesetzt, um herauszufinden, wie dies die Exozytose beeinflusst“, sagt Ewing. „Mit analytischen Methoden war es jedoch nicht machbar, nur die Vorgänge im Zellinnern zu messen.“ So entwickelte das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderte Projekt NAMISTMem eine wegweisende Technik, mit der über intrazelluläre Nano-Injektion verschiedene Phospholipide zugeführt werden. So konnte die Arbeitsgruppe nachvollziehen, wie sich Veränderungen der Membran auf Speicherprozesse im Kurzzeitgedächtnis auswirken. Über das gesamte Projekt arbeiteten die Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Mohaddeseh Amiri Aref und Ewing in dessen hochmodernem Labor eng zusammen, um Einzelzellanalysen in Echtzeit durchzuführen. So konnte die Forschungsgruppe gemeinsam neue Techniken entwickeln, mit denen sich der Einfluss intrazellulärer Lipide auf die Neurotransmission beobachten lässt.

Neue Behandlungsansätze für neurodegenerative Erkrankungen

Das Projekt demonstrierte die Eignung mehrerer dieser bahnbrechenden Methoden für Echtzeit- und In-vivo-Analysen intrazellulärer Lipidveränderungen und lieferte auch neue Belege zum entscheidenden Beitrag von Lipiden zur Modulation der Neurotransmission. Die Ergebnisse werden für die Entwicklung nanoanalytisch-biochemischer Methoden bedeutsam sein, da In-vivo-Analysen für die Entwicklung von Medikamenten gegen neurodegenerative Erkrankungen und das Schwinden des Kurzzeitgedächtnisses maßgeblich sind. „Auf den molekularen Mechanismus, der das Kurzzeitgedächtnis dazu befähigt, Erinnerungen zu speichern, gehen die gravierendsten Symptome neurologischer Entwicklungsstörungen und neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und Autismus-Spektrum-Störungen zurück“, wie Ewing ausführt. „Unsere Ergebnisse könnten die Verbindung zwischen exozytotischen Prozessen und Kurzzeitgedächtnis erhellen.“ Demnächst soll nun mit neuen In-vivo-Analyseverfahren geklärt werden, wie intrazelluläre Einflüsse anderer Faktoren, die mit dem Kurzzeitgedächtnis zusammenhängen, auf die Neurotransmission einwirken.

Schlüsselbegriffe

NAMISTMem, STM, Kurzzeitgedächtnis, Alzheimer, Neuronen, Gehirn, Lipide, Biologie, Gedächtnis, Demenz

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