Bestimmung invertierter Kalziumströme in Bipolarzellen

Die Elektrostimulation von Nervenzellen wird in der Neuroprothetik eingesetzt, um Nervenaktivität künstlich zu erzeugen oder zu blockieren. Retinaimplantate (Netzhautimplantate) zielen darauf ab blinden Menschen, beeinträchtigt durch eine Degeneration ihrer Photorezeptoren, wieder Seheindrücke zu vermitteln. Photorezeptoren sind Zellen in der Netzhaut welche das einfallende Licht in Nervensignale umwandeln. Die kontrollierte Aktivierung der übrigen, gesunden Nervenzellen in der Retina durch Elektrostimulation ist jedoch nicht trivial und keine generellen Strategien dafür sind bekannt. Bipolarzellen sind das Hauptziel von Elektrostimulation wenn diese von der Seite der degenerierten Photorezeptoren - subretinale Stimulation erfolgt. Diese Zellen verbinden Photorezeptoren mit Ganglienzellen und vollführen dabei eine große Anzahl von Verarbeitungsschritten der ankommenden Nervensignale. Während Bipolarzellen die neuronale Information hauptsächlich durch graduelle Änderungen ihrer Membranspannung codieren, generieren Ganglienzellen über Aktionspotenziale Alles- oder-Nichts Antworten. Um durch synaptische Aktivität an den Enden der Bipolarzellen Aktionspotenziale in den darauffolgenden Ganglienzellen herzustellen müssen diese depolarisieren, das heißt ihr Membranpotential muss angehoben werden. Die Stärke der Elektrostimulation muss, wie in einer Studie berichtet, in einer bestimmten Bandbreite sein um synaptische Ausschüttung an Bipolarzellenden zu gewährleisten. Bei zu starker Stimulation von Bipolarzellen wird davon ausgegangen, dass einwärts gerichtete Calciumströme invertiert werden und dadurch die intrazelluläre Calciumkonzentration nicht ansteigt. Die dadurch verringerte synaptische Aktivität macht es unwahrscheinlich dabei physiologische Signale ins Gehirn zu übertragen. Dieses Forschungsprojekt versucht mittels verschiedener experimentellen Methoden an Säugetierretinas in-vitro den Nachweis für invertierte Calciumströme zu erbringen. Durch die Untersuchung von Bipolar- und Ganglienzellen mit der patch clamp Technik ist es möglich Calciumströme und synaptische Aktivität während elektrischer Mikrostimulation zu bestimmen. Das Verständnis für die Auswirkung dieses Prinzips ist sowohl für die Neuroprothetik als auch für die Neurophysiologie wichtig.

Elektrostimulation von Nervenzellen wird dazu verwendet um sensorische und taktile Körperfunktionen wiederherzustellen. Die Generierung von künstlichen Nervensignalen funktioniert in einem bestimmten Bereich von Stimulusamplituden zwischen dem sogenannten unteren und oberen Schwellwert. Speziell in Retinaimplantaten, die darauf abzielen blinden Menschen das Sehen wieder zu ermöglichen, sind die beiden Schwellwerte nicht charakterisiert und verstanden. Dieses Projekt wurde initiiert um den unteren und oberen Schwellwert dazu zu nutzen, um eine bessere Ansteuerung von verschiedenen retinalen Zelltypen zu ermöglichen um damit eine höhere Qualität künstlichen Sehens zu generieren. Im Laufe dieses Projekts kristallisierte sich ein weiteres, besser geeignetes, Element zur spezifischen Aktivierung der Retina heraus: das axon initial segment. Die wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts entstanden durch genaue Charakterisierung des axon initial segments in retinalen Ganglienzellen und wir konnten zeigen, dass diese Struktur äußerst wichtig für die physiologische Funktion ist und auch das Antwortverhalten während Elektrostimulation bestimmt. Die Resultate aus diesem Projekt zeigen, dass das axon initial segment zu den jeweiligen präsynaptischen Inputs des retinalen Netzwerks zugeschnitten ist. In Konsequenz sind kleine Änderungen in der Länge und Position des axon initial segments entscheidend für die korrekte Funktion von retinalen Ganglienzellen. Ein weiteres wichtiges Resultat entstand aus einer Simulationsstudie zur Aktivierung von retinalen Bipolarzellen während repetitiver Elektrostimulation. Eine solche Stimulationsstrategie wird derzeit in einem Retinaimplantat (PRIMA System) klinisch getestet. Die Ergebnisse geben eine biophysikalische Erklärung warum Stimulationsfrequenzen von über 20 Hz die Qualität des künstlichen Sehens verbessern. Unsere Simulationen sind geeignet um bessere Stimulationsstrategien zu entwickeln welche Seheindrücke zu ermöglichen die das physiologische Sehen so gut wie möglich nachbilden. Im Zuge des Projekts wurde zusätzlich auch das Antwortverhalten von verschiedenen retinalen Zellklassen und Zelltypen untersucht. Untersuchungen zu Einzelpulsstimulation und repetitiver Stimulation mit hohen (>1000 Hz) Pulsfrequenzen zeigten spezifische Unterschiede zwischen verschiedenen Typen von retinalen Ganglienzellen. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass diese Resultate sich in verschiedenen Spezies ähneln. Dies legt den Schluss nahe, dass unsere Resultate von der Mausretina sich möglicherweise auch auf den Menschen übertragen lassen. Zusammengefasst haben wir in diesem Projekt eine Vielzahl an interessanten Antwortverhalten der Retina während Elektrostimulation gefunden. Diese vielversprechenden Ergebnisse können potentiell dazu genutzt werden, um die Performance von zukünftige Retinaimplantate zu verbessern.