Nervenzellen kommunizieren mithilfe von Botenstoffen. Nach klassischer Vorstellung wirken diese entweder sehr gezielt an einzelnen Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, den Synapsen, oder breiten sich über größere Bereiche des Gehirngewebes aus, die sogenannte Volumenübertragung. Die neu eingerichtete Forschungsgruppe stellt diese klare Trennung infrage und geht davon aus, dass es zwischen beiden Formen der Signalübertragung fließende Übergänge gibt.
Am Beispiel des Botenstoffs Glutamat sowie der Neuromodulatoren Dopamin und Noradrenalin wollen die Forschenden untersuchen, wie Nervengewebe Informationen räumlich verteilt, filtert und in neuronale Aktivität übersetzt. Im Fokus stehen dabei der Hippocampus und der präfrontale Kortex.
„Wir möchten verstehen, wie Nervenzellen und Gliazellen in dem dicht gepackten Gewebe des Gehirns tatsächlich miteinander kommunizieren. Dabei lösen wir uns von der Vorstellung, dass jede Synapse für sich allein arbeitet“, sagt der Sprecher der Forschungsgruppe Prof. Henneberger, Direktor des Instituts für Zelluläre Neurowissenschaften I des UKB und Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich „Life & Health“ der Universität Bonn. „Ich hoffe, dass wir durch die enge Zusammenarbeit in der Forschungsgruppe ein wesentlich realistischeres Bild davon gewinnen, wie Botenstoffe Informationen im Gehirn verteilen und wie daraus komplexe Hirnfunktionen entstehen.“
Neue Methoden machen räumliche Kommunikation sichtbar
Um die Ausbreitung und Wirkung von Botenstoffen quantitativ zu erfassen, kombiniert die Forschungsgruppe neu entwickelte optische Sensoren mit hoch- und superauflösender Mikroskopie, Elektronenmikroskopie, KI-gestütztem Protein-Engineering und mathematischer Modellierung. So wollen die Forschenden nachvollziehen, wie weit sich Botenstoffe im Nervengewebe ausbreiten, auf welche Zellstrukturen sie wirken und welchen Einfluss dies auf die Funktion neuronaler Netzwerke hat.
Langfristig könnten die gewonnenen Erkenntnisse auch zum besseren Verständnis neurologischer und neurodegenerativer Erkrankungen beitragen. Viele dieser Erkrankungen gehen mit Veränderungen von Synapsen, Gliazellen und der Gewebestruktur des Gehirns einher. Bislang ist jedoch wenig darüber bekannt, ob sich dadurch auch die räumliche Reichweite und Präzision der Kommunikation durch Botenstoffe verändert. Die Forschungsgruppe will hierfür wichtige Grundlagen schaffen.