Die zuverlässige Entstehung von Ordnung aus scheinbarer Unordnung in der sich entwickelnden Netzhaut
Die meisten Neuronen werden weit entfernt von ihrem endgültigen Bestimmungsort gebildet. Um ein funktionierendes Nervensystem aufzubauen, müssen diese Zellen durch das Gewebe wandern und bei ihrer Ankunft funktionierende Verbindungen herstellen. In der Netzhaut und anderen in der Entwicklung befindlichen Hirnregionen beinhaltet dies auch ihre Anordnung in unterschiedlichen Schichten – ein Prozess, der als neuronale Lamination bezeichnet wird. Bislang war nur wenig darüber bekannt, wie dieser Prozess in der Netzhaut abläuft. Die Forschung hatte sich größtenteils auf die Großhirnrinde konzentriert und dabei vor allem die wandernden Zellen selbst und nicht das umgebende Gewebe untersucht. Das ambitionierte ERC-finanzierte Projekt makingtheretina hat zu einem Durchbruch im Verständnis der Netzhautbildung geführt. Während seiner sechseinhalbjährigen Laufzeit nutzte makingtheretina fortgeschrittene Bildgebungsverfahren und interdisziplinäre Werkzeuge, um die feine dynamische Steuerung der neuronalen Lamination trotz scheinbar chaotischer neuronaler Aktivitäten aufzudecken.
Langfristige Lichtscheibenbildgebung für die Netzhaut des Zebrafisches
Der Zebrafisch als etablierter Tiermodellorganismus eignet sich ideal zur Beobachtung der Lamination – er ist transparent und klein, entwickelt sich schnell und seine Netzhaut ist im Vergleich zu anderen Bereichen des zentralen Nervensystems relativ gut zugänglich. „Die Lichtscheibenbildgebung über längere Zeit ermöglichte es uns, die Zellmigration und Lamination im Zebrafischembryo in Echtzeit zu beobachten“, sagt Hauptforscherin Caren Norden, die zuvor am Gulbenkian-Institut für molekulare Medizin(öffnet in neuem Fenster) tätig war und nun an der Universität Cambridge forscht. Diese sanfte Technik beleuchtet jeweils nur eine dünne Gewebeschicht, wodurch die Embryonen tagelang gesund bleiben. Die Versuche wurden mittels automatisierter Analysesoftware sowie prädiktiver Werkzeuge des maschinellen Lernen und theoretischer Modelle zum Zellverhalten durch informatische und theoretische Arbeit ergänzt. „Maßgeschneiderte Analysewerkzeuge ermöglichten es uns, Zellbewegungen über einen längeren Zeitraum zu verfolgen und Geschwindigkeiten, Richtungen sowie Formveränderungen zu ermitteln, um die spezifischen Strategien der verschiedenen Netzhautneuronentypen aufzudecken“, erklärt Norden. Die prädiktiven Werkzeuge und theoretischen Modelle unterstützten die iterative Entwicklung und Überprüfung von Hypothesen über die treibende Kraft hinter den Bewegungen.
Ordnung, die aus „chaotischem“ Zellverhalten entsteht
„Unsere Studien zeigten, dass aus überraschend chaotischem Verhalten eine präzise Gewebestruktur entsteht. Verschiedene Zelltypen bewegen sich gleichzeitig unter Anwendung unterschiedlicher Strategien und kreuzen dabei oft den Weg der anderen, um ihre endgültigen Bestimmungsorte zu erreichen“, sagt Norden. Horizontale Zellen beispielsweise folgten unvorhersehbaren individuellen Strecken anstelle von festen Wegen. Sie wurden durch indirekte Zellkommunikation – chemische Signale von benachbarten Zellen – geleitet und nicht, wie ursprünglich erwartet, durch die physikalische Gewebestruktur. „Am auffälligsten ist, dass manche neuronalen Bewegungen dem Schutz der Gewebereifung dienen. Photorezeptorzellen bewegten sich hin und her und machten eine Kehrtwende, um den Raum, in dem sie sich später ansiedeln würden, vorübergehend freizuschaffen, damit benachbarte Vorläuferzellen ihre Teilung abschließen konnten“, fügt Norden hinzu. Dieses „Raum schaffende“ Verhalten wurde auch in menschlichen Netzhautorganoiden(öffnet in neuem Fenster) beobachtet, was darauf hindeutet, dass es sich um eine erhalten gebliebene biologische Strategie handelt.
Weiter gefasste Bedeutung für menschliche Gesundheit und Krankheit
Die Projektarbeit zeigte, wie sich die Gewebestruktur der sich entwickelnden Netzhaut und die sich bewegenden Zellen fortwährend gegenseitig beeinflussen und gleichzeitig das sich bildende Gewebe schützen. Auffallende Aspekte dieses Verhaltens wurden in menschlichen Netzhautorganoiden beobachtet und könnten sich auch in anderen Hirnregionen zeigen. Zukünftige Forschung soll die molekularen Mechanismen der individuellen Zellentwicklung sowie die Robustheit der neuronalen Lamination untersuchen, einschließlich des genetischen Zusammenhangs mit spezifischen chemischen und mechanischen Signalen bei Störungen der neuronalen Migration. Die Forschung an Modellorganismen spielt nach wie vor eine wesentliche Rolle für das Verständnis der Gewebe- und Organentwicklung bei Gesundheit und Krankheit. Dieses Verständnis wird durch die Kombination von Experimenten mit computergestützten und theoretischen Werkzeugen erheblich vertieft. „Eine fehlerhafte Positionierung der Neuronen ist eine Voraussetzung für Erkrankungen wie Epilepsie und geistige Behinderung. Indem wir herausarbeiten, wie Neuronen ihre korrekten Positionen in der Netzhaut des Zebrafisches finden, schaffen wir die erforderliche Grundlage, um zu ergründen, was bei neurologischen Krankheiten und neurologischen Entwicklungsstörungen schiefläuft“, lautet das Fazit von Norden.
