Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.01.2011

Entwicklung optogenetischer und optopharmakologischer Methoden für die Untersuchung neuronaler Plastizität

Prof. Dr. Hans Straka
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Biologie - Department Biologie II - Zell- und Entwicklungsbiologie

Prof. Sascha du Lac
University of California, San Diego
Salk Institute for Biological Sciences


Das vorliegende Projekt verbindet die Expertise zweier Forschungsgruppen an der LMU München und dem Salk Institut in La Jolla um innovative Technologien auf dem Feld der licht-aktivierbaren Moleküle und optogenetischen/optopharmakologischen Substanzen zu entwickeln, die eine experimentelle Steuerung individualisierter neuronaler Aktivität im Gehirn erlauben. Ziel ist es dabei diese neuen Technologien soweit praktisch anwendbar zu machen und zu verfeinern dass entsprechende physiologische Studien möglich sind. Diese neuentwickelten Substanzen basieren auf kombinierten molekularen und optischen Technologien und erlauben eine licht-aktivierbare Manipulation neuronaler Aktivität. Um diese Funktion physiologisch zu nutzen wird eine der größten Herausforderungen in dem Projekt der spezifische Einbau optogenetischer Moleküle (mRNA-Plasmide) wie z.B. von Channelrhodopsin oder Halorhodopsin in bestimmte Neuronenpopulationen durch Elektroporese/Transfektion sein. Nach photochemischer Internalisierung in die Zellmembran kann anschließend die elektrische Aktivität dieser Nervenzellen optisch geregelt werden. Die Injektion der Substanzen in vestibuläre und cerebelläre Hirnregionen in Maus und Xenopus erlaubt eine experimentelle Störung der senso-motorischen Transformation und damit die Untersuchung spezifischer Aspekte der neuronalen Plastizität und des motorischen Lernens.

Abschlussbericht
Basierend auf gegenseitigen Besuchen der Mitglieder beider Arbeitsgruppen an der LMU München und dem Salk Institut in La Jolla, haben wir optische Messmethoden entwickelt und entsprechende Mikroskope installiert um neuronale Plastizität zu untersuchen. Diese Messplätze erlauben eine optisch-gesteuerte Freisetzung von Neurotransmitterkandidaten im Gehirn von Xenopus Fröschen (LMU München) sowie die optische Aktivierung von Neuronen im Kleinhirn von Mäusen (Salk Institut). Die technischen Neueinrichtungen, zusammen mit der Entwicklung semi-intakter Präparate von Xenopus und einer funktionellen Calcium-Bildgebung in München, erlaubt jetzt die Registrierung von sensorisch-evozierten neuronalen Antworten in zentralen vestibulären Neuronen. Um die Glutamatfreisetzungseffizienz zu quantifizieren, wurde die notwendige Belichtungsdauer und Intensität für die Generierung von Aktionspotentialen durch gleichzeitige patch-clamp Ableitungen berechnet. Die räumliche Trennung der Calcium-Bildgebung und Glutamatfreisetzung erlaubt zukünftig eine experimentelle Manipulation ipsilateraler Bogengangs-aktivierter Calcium-Signale durch optische Rekrutierung kontralateraler hemmender/erregender neuronaler Informationswege. Durch die Verwendung verschiedener Mauslinien, die licht-aktivierbares Channelrhodopsin in Kleinhirnneuronen exprimieren, war es am Salk Institut möglich richtungsspezifische Augenbewegungen nach optischer Aktivierung der entsprechenden Kleinhirnstrukturen auszulösen. Die Ergebnisse dieser grundlegenden Experimente in beiden Arbeitsgruppen werden gegenwärtig vervollständigt und zur Publikation vorbereitet.