Elektrophysiologie und Dynamik neuronaler Netzwerke

Elektrophysiologie und Dynamik neuronaler Netzwerke

Aus naturwissenschaftlicher Sicht resultieren psychiatrische Störungen aus pathologisch veränderten Funktionsweisen des Gehirns, dessen grundlegender funktioneller Baustein die Nervenzelle oder das Neuron ist. Ein Grundcharakteristikum dieses hoch spezialisierten Zelltyps ist die Fähigkeit, elektrische Signale zu generieren. In Wirbeltiergehirnen verschalten sich Neurone über Synapsen zum Zwecke interneuronaler Kommunikation zu extrem komplexen Netzwerken. Es ist letztendlich die elektrische Aktivität dieser neuronalen Netzwerke, die Emotionen und Verhaltensweisen generiert und kontrolliert.

Um die enorme Komplexität des menschlichen Gehirns zu veranschaulichen, seien folgende Zahlen und Fakten genannt: Dieses Organ enthält in etwa 100 Milliarden Nervenzellen, von denen jede einzelne durchschnittlich 1000 chemische Synapsen zu anderen Neuronen ausbildet. Darüber hinaus ist die Übertragungsstärke der elektrischen Nervenzellsignale an den daraus resultierenden ca. 100 Billionen chemischen Synapsen nicht fixiert. An diesen Synapsen werden, abhängig vom Neuronentyp, unterschiedliche Überträgerstoffe (Neurotransmitter) ausgeschüttet (z. B. Glutamat, GABA, Serotonin und Dopamin). Die synaptische Übertragungsstärke kann beispielsweise durch veränderte Neurotransmitterkonzentrationen, aktivitätsabhängige Prozesse (synaptische Plastizität) sowie zahlreiche endogene und exogene modulatorische Substanzen kurz- oder langandauernd erhöht oder abgeschwächt werden. Neben der synaptischen Plastizität weist das Gehirn noch weitere Plastizitätsformen auf (z. B. strukturelle Plastizität), die einschließlich der synaptischen Plastizität unter dem Begriff "Neuroplastizität" subsumiert werden können. Aufgrund der geschilderten strukturellen und physiologischen Eigenschaften des Gehirns kann man davon ausgehen, dass Veränderungen des “Flusses” elektrischer Aktivität durch neuronale Netzwerke des Gehirns eine ursächliche Rolle in der Pathogenese und/oder beim Auftreten von Symptomen psychiatrischer Krankheiten spielen.

Die Erforschung der Pathophysiologie von psychiatrischen Krankheiten ist nicht nur eine große wissenschaftliche Herausforderung, sondern auch eine Grundvoraussetzung für hypothesengesteuerte Entwicklungen effektiverer pharmakologischer Behandlungsformen dieser Krankheiten. Somit erscheint es äußerst wichtig, Veränderungen neuronaler Netzwerkaktivität und interneuronaler synaptischer Kommunikation im Gehirn aufzudecken, die maßgeblich an der Entstehung von Kernsymptomen dieser Krankheiten beteiligt sind oder zumindest damit einhergehen. Die Core Unit “Elektrophysiologie und Dynamik neuronaler Netzwerke” widmet sich dieser Aufgabe und richtet hierbei ihr Augenmerk vor allem auf Stress-assoziierte psychiatrische Störungen. Das in unterschiedlichen Mausmodellen eingesetzte Methodenspektrum umfasst klassische elektrophysiologische Techniken, Infrarot-gelenkte Photostimulation, “Voltage-Sensitive Dye Imaging” und optogenetische Stimulation/Hemmung der elektrischen Aktivität lokaler Neuronenverbände. Mit Hilfe dieser Methoden arbeiten wir weiterhin an der Aufklärung modulatorischer Wirkungen verschiedener endogener und exogener Substanzen, darunter “Corticotropin-Releasing Factor” (CRF) und Antidepressiva.

Eingesetzte Methoden:

  • Feldpotenzial-Ableitungen
  • Patch-Clamp-Ableitungen
  • Fluoreszenzmikroskopie
  • Voltage-Sensitive Dye Imaging (VSDI)
  • Optogenetische Techniken
  • Infrarot-gelenkte Photostimulation
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