Aktivitätsabhängige Spezifikation humaner Neurone

Der Erforschung von Krankheiten des erwachsenen menschlichen Gehirns mangelt es an Modellen. Der biologische Alterungsprozess unserer Gehirnzellen ist hier oft von zentraler Bedeutung. Versuchstiere haben eine andere Biologie als Menschen und werden oft nur wenige Jahre alt. Eine Alternative bietet sich durch iPS-Zellen: Erwachsene Hautzellen werden in Stammzellen umgewandelt, und können dann in Nervenzellen ausgereift werden. Allerdings sind diese verjüngt, das heißt sie haben jegliche Erinnerung an das Alter ihres Hautspenders verloren und ähneln eher Nervenzellen vor der Geburt. Wir haben im Labor eine alternative Methode etabliert, in der wir Hautzellen ohne Umweg in Nervenzellen umwandeln können. Diese Methode erlaubt es alters-äquivalente, d.h. erwachsene Nervenzellen herzustellen, kurz: iNs (Ei-Änns). In unseren Forschungsprojekten haben wir mit diesem Modell schon viel über den Alterungsprozess unserer Gehirnzellen gelernt. Allerdings gibt es über iNs auch noch sehr viel zu erforschen und zu optimieren. Die vielleicht bedeutendste Eigenschaft von Nervenzellen im Gehirn ist, dass sie eine große Anzahl winziger elektrischer Entladungen produzieren, die als Aktionspotentiale bezeichnet werden. Diese Bits an Informationen dienen dazu Botschaften zwischen Nervenzellen zu senden. Das Gehirn besteht aus Milliarden von Nervenzellen, von denen jede eine bemerkenswert ausgefeilte Rechenleistung aufweist. Diese sind über eine noch viel größere Anzahl von Kotenpunkten, sogenannten Synapsen, miteinander verbunden. Synapsen sind enorm flexibel, und viele Forscher glauben, dass dies die Grundlage für das Lernen ist. Aber auch die Fähigkeit der Nervenzellen eingehende Informationen zu Verarbeiten und Aktionspotentiale zu senden ist enorm anpassungsfähig. Diese Anpassungsfähigkeit gezielt steuern zu können würde im Wesentlichen bedeutet, dass wir alle Computer in einem gigantischen Netzwerk neu programmieren könnten. Unser Forschungsprojekt zielt genau darauf ab: mithilfe äußerer Reize die bioelektrischen Eigenschaften der Nervenzellen zu optimieren; ihnen sozusagen beim Erwachsenwerden zu helfen. Dazu verwenden wir flackernder Lichtimpulse, auf welche unsere genetisch veränderten Zellen reagieren wie auf natürliche eingehende Informationen. Die von uns gesendeten Muster von Lichtimpulsen haben wir von natürlichen Botschaften abgeschaut, und sie dienen sozusagen als Trainingseinheiten für die Nervenzellen. Wir erwarten, dass Nervenzellen ihre bioelektrischen Eigenschaften stets so einstellen, dass sie die eingehenden Nachrichten am effektivsten verarbeiten können. Zudem glauben wir, dass erwachsene iNs ganz anders auf bestimmte Trainingsmuster reagieren als verjüngte Nervenzellen aus iPS-Zellen. Wir glauben, dass die so trainierten Nervenzellen ein noch besseres Modellsystem für die Erforschung von Krankheiten darstellen werden, und auch für den Einsatz als Spenderzellen für die klinische Behandlung neurologischer Erkrankungen in Frage kommen können.

In diesem Projekt haben wir eine umfassende Analyse aktivitätsabhängiger Mechanismen, die die physiologischen und synaptischen Eigenschaften menschlicher Neuronen regulieren, die über zwei unterschiedliche genetische Reprogrammierungsmethoden für Zelltypen gewonnen wurden. Die hier verglichenen Reprogrammierungsmethoden von menschlichen Hautzellen in Nervenzellen sind zum einen induzierte Neuronen (iNs) aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), und zum anderen die direkt aus Fibroblasten reprogrammieren induzierten Neurone (Fib -iNs). Das besondere an Fib-iNs ist, dass diese das mechnschliche Alter, als auch den 'erwachsenen' Zellstatus der Sonoren widerspiegeln. Daher ist zu erwarten, dass Fib-iNs gegenüber 'embryonal-ähnlichen' iPSC-Ns auch andere funktionelle Eigenschaften haben. Dies haben wir in diem Project untersucht, indem wir von den gleichen Sonoren, den gleichen Hautzellkulturen, sowohl iPSC-Ns als auch Fib-iNs hergestellt haben. Das Projekt nutzte eine Kombination aus langfristiger optogenetischer Kontrolle der neuronalen Aktivität, In-vitro-Elektrophysiologie und Molekularbiologie. Wir konnten unter indem nachweisen, dass Fib-iNs von verschieden alten Sonoren, und speziell von Patienten, Besonderheiten in ihrem molekularen und zellulären, und speziellen ihrem metabolischen Aufbau aufweisen. Zudem haben iPSC-Ns und Fib-iNs unterschiedliche elektrophysiologische Eigenschaften, welche durch optogenetische Stimulation manipulierbar sind. Einzelne 'erwachsene' Fib-iNs zeigen schon nach kurzer Zeit sehr reife, und in diesem Zeitraum aus iPSC-Ns unbekannte, elektrophysiologische Prozessionseigenschaften.