Wie arbeitet das Gehirn? How is information coordinated in the brain?

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1 005 Wie arbeitet das Gehirn? How is information coordinated in the brain? Can we repair our brain? How do nerve cells transmit signals? Wie werden Informationen im Gehirn koordiniert? How does the brain work? What causes illnesses of the nervous system? Können wir unser Gehirn reparieren? Was macht das Nervensystem krank? Wie übermitteln Nervenzellen Signale?

2 Max Planck Institute for Brain Research, Frankfurt (Main) Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden

3 Foto: Felix Brandl, Munich

4 Introduction Einführung Das menschliche Gehirn ist das komplexeste Gebilde im Universum. Es enthält etwa 00 Milliarden Nervenzellen, jede mit Tausenden Verbindungen zu ande ren Neuronen. Ihr Zusammenspiel kontrolliert jede Körperfunktion, ermöglicht Gedanken, Wahrnehmungen, Erinnerungen, Gefühle, aber auch Bewegung und Kommunikation mit der Umwelt. Zu verstehen wie das Gehirn arbeitet, gesund oder krank, ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Was ist durch Gene festgelegt, was wird durch Lernen und Erfahrung geprägt? Neurowissenschaftler befassen sich heute mit allen Aspekten des Nervensystems seiner Struktur, Funktion und Entwicklung. The human brain is the most complex structure in the universe. It contains roughly 00 billion nerve cells, each of which having thousands of connections to other neurons. Their interaction controls each of the body s functions, allows thoughts, perceptions, memories, feelings, and also movement and communication with its surroundings. Understanding just how the brain works, in health or in sickness, is one of the greatest challenges of our time. What is determined by genes, what is formed by learning and experience? Neuroscientists today are investigating all aspects of the nervous system its structure, function and development. Große Fortschritte sind beim Sichtbarmachen und Modellieren von Hirnfunktionen sowie der Erforschung ihrer biologischen Basis zu erwarten. Heute geht man davon aus, dass 0 bis 50 Prozent der menschlichen Gene ihre Funktion hauptsächlich im Gehirn ausüben. Das lässt die Komplexität seiner genetischen Steuerung und Entwicklung erahnen. Die Ursache vieler neurologischer Erkrankungen liegt in Defekten jener Gene, die auch bei der Entwicklung eine Rolle spielen. Rund die Hälfte aller genetischen Erkrankungen be trifft das Nervensystem. Das Gehirn er reicht seine volle Leistungsfähigkeit erst durch Interaktion mit der Umwelt. Forscher untersuchen deshalb das Zusammenspiel von Genen und Erfahrungen bei der Ausprägung und Feinabstimmung der neuronalen Schaltkreise im Gehirn. Wie finden Fortsätze von Nervenzellen dabei ihr Ziel? Wie entwickeln sich unterschiedliche Hirnareale, wie reifen kognitive Funktionen? Dank der Forschung rückt die Prävention und Heilung vieler Hirnkrankheiten erstmals in den Bereich des Möglichen. Eine bessere Kenntnis der Informationsverarbeitung im Gehirn könnte zudem neue Computer ermöglichen. Great progress can be expected in visualizing and modeling brain functions, as well as in research into their biological basis. Today, it is assumed that 0 to 50 percent of human genes exercise their function chiefly in the brain. This gives an indication of the complexity of the genetic control and development. The cause of many neurological diseases lies in defects in those genes that also play a role in development. Around half of all genetic diseases affect the nervous system. The brain can only reach its full capability through interaction with its surroundings. Researchers are therefore examining the interaction of genes and experiences with regard to the expression and fine tuning of neuronal circuits in the brain. How do nerve cell processes find their goal? How do different brain areas develop, how do cognitive functions mature? Thanks to research, the prevention and cure of many brain diseases is entering the realm of the possible for the first time. Better know ledge of the way the brain processes information could, moreover, make new computers possible.

5 Facts and Figures Daten und Fakten Neuronal Switch Center Our brain is made up of circa 00 billion nerve cells connected to each other by fibers: a cubic millimeter of brain tissue is wired up with about one kilometer of fiber strands; the entire brain with about one million kilometers. Every neuron possesses up to 0,000 connection points (synapses) to other nerve cells, which means that our brain has more than a quintrillion synap ses. Every nerve cell uses a million molecular pumps, which pump 00 million signal ions into or out of the cell per second: a process that consumes about 70 percent of the energy used by these cells. Neuronale Schaltzentrale Unser Gehirn besteht aus etwa 00 Milliarden Nervenzellen, die durch Fasern miteinander verbunden sind: Ein Kubikmillimeter Hirngewebe ist mit etwa einem Kilometer und das gesamte Gehirn mit rund einer Million Kilometer Fasersträngen verkabelt. Jedes Neuron unterhält bis zu Verbindungsstellen (Synapsen) zu anderen Nervenzellen, so dass unser Gehirn mehr als eine Trillion Synapsen enthält. Jede der Nervenzellen nutzt eine Million molekulare Pumpen, die pro Sekunde 00 Millionen Signal-Ionen aus der Zelle hinaus bzw. wieder hinein pumpen ein Prozess, der etwa 70 Prozent des Energieverbrauchs der Nervenzellen verschlingt. Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden

6 Theme 5.. Thema 5.. DEVELOPMENT OF THE BRAIN DAS WERDEN DES GEHIRNS Logistical Problems at the Synapse Synapses transfer information between neurons, thereby determining what we remember and what we forget. Max Planck scientists have now identified transport complexes that ensure that certain proteins are enriched at the synapses. Logistikprobleme an der Synapse Synapsen leiten Informationen zwischen Nervenzellen weiter und entscheiden so mit darüber, was wir uns merken und was wir wieder vergessen. Max-Planck-Forscher haben Transportkomplexe identifiziert, die dafür sorgen, dass sich bestimmte Proteine an den Synapsen anreichern können. Tracking Down Memory The capacity of the brain to constantly change is referred to as plasticity. But how does it do this? Max Planck researchers have now found the answer to this question: by neural proteins acting not only as transmitters, but also as receivers. Dem Gedächtnis auf der Spur Unser Gehirn ist plastisch es kann sich fortlaufend verändern. Wie aber funktio niert das? Indem Proteine in den Neuronen nicht nur Sender, sondern auch Empfänger sein können, wie Max-Planck- Forscher jetzt nachgewiesen haben. Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen Shared Experience Scientists have observed expe rience- based changes in the developing brain with un prece dented precision. The object of their examination was the cerebral cortex of rodents. In this part of the brain, barrel-shaped structures were identified, which correspond in their arrangement to the tactile hair on the nose. Erfahrung verbindet Mit bisher unerreichter Genauigkeit beobachteten Forscher erfahrungsbedingte Änderungen im sich entwickelnden Gehirn. Sie untersuchten dazu die Großhirnrinde von Nagetieren. Dort lassen sich tönnchenförmige Strukturen identifizieren, die in ihrer Anordnung jener der Tasthaare an der Nase entsprechen. Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg

7 Theme 5. video Thema 5. video 4 4 The Morphological Basis for Learning and Forgetting Each nerve cell is in contact with other nerve cells through 0 to 00,000 spinules. These connections are not static, however. The thorn-like contact points, which are presumably involved in the formation of synapses, can be assembled and taken apart again, facilitating the brain s plasticity. For the first time, it has become possible to observe the degeneration of these spinules under the microscope. In experiments, the spinules degenerate when the nerve cells are slightly stimulated. This process is most likely responsible for forgetting. Die morphologische Basis für Lernen und Vergessen Jede Nervenzelle steht über 0 bis Dornen mit anderen Nervenzellen in Kontakt. Diese Verbindungen sind jedoch nicht statisch. Die dornenartigen Kontaktstellen, die vermutlich an der Ausbildung von Synapsen beteiligt sind, können auf- und wieder abgebaut werden und ermöglichen die Plastizität des Gehirns. Erstmals konnte jetzt die Rückbildung dieser Dornen unter dem Mikroskop beobachtet werden. Im Experiment bilden sich die Dornen bei geringer Reizung der Nervenzellen zurück. Dieser Vorgang ist vermutlich für das Vergessen verantwortlich. Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried Neue Einsichten in die embryonale Gehirnentwicklung Wie bildet sich aus einer einzigen befruchteten Zelle ein komplexer Organismus? Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Psychiatrie haben ein Regulatorprotein identifiziert, das die eine entscheidende Funktion bei der Festlegung bestimmter Gehirnregionen hat. Das Protein wird im vorderen Bereich des Neuralrohrs, dem späteren Vorder- und Mittelhirn, pro - duziert und weist zum Rautenhirn, dem hinte ren Abschnitt des Gehirns, hin eine scharfe Expressionsgrenze auf. Entlang dieser Grenze organisieren sich in der frühen Embryonalentwicklung Mittelund Rautenhirn. Max Planck Society/ArchiMeDes Astrocytes Modulate Communication Between Nerve Cells Synapses are the central coordinating points for nerve cells in the brain. These structures, which are only a few thousands of a millimeter in length, are in close contact with the thin, constantly moving appendages of the neighboring astrocytes, a group of neuroglial cells. The cell appendages have a large number of signaling molecules and receptors, which allow the astrocytes not only to eavesdrop on nerve cells directly when they are communicating, but also to interrupt and join in on the discussion. Journey Into the Depths of the Brain Conquest of New Horizons Our brain is a unique structure. Genetic methods and the latest staining and microscope techniques allow us to observe individual living cells. If we use a microscopic spaceship to dive into the depths, we recognize the complexity and expanse of the nerve cells. Green fluorescent astrocytes are in close contact with their environment. Synapses, the brain s central coordinating points, are surrounded and eavesdropped on. Among themselves, the astrocytes form a cell aggregate, which guarantees neuronal network activities. Reise in die Tiefen des Gehirns Eroberung neuer Horizonte Unser Gehirn ist eine einzigartige Struktur. Genetische Methoden und modernste Färbeund Mikroskopiertechniken erlauben die Beobachtung einzelner lebender Zellen. Tauchen wir mit einem mikroskopischen Raumschiff hinab in die Tiefen, so erkennen wir die Komplexität und Ausdehnung der Nervenzellen. Grünfluoreszente Astrozyten stehen in engem Kontakt mit ihrer Umgebung. Synapsen, die zentralen Schaltstellen des Gehirns, werden umhüllt und belauscht. Untereinander bilden die Astrozyten einen Zellverband, der neuronale Netzwerkaktivitäten garantiert. Max Planck Institute for Experimental Medicine, Goettingen New Insights Into Embryonic Brain Development How does a complex organism form from a single fertilized cell? Scientists at the Max Planck Institute of Psychiatry have identified a regulator protein that plays a critical role in establishing certain brain regions. The protein is produced in the front area of the neural tube, which later becomes the forebrain and midbrain, and displays a sharp expression boundary to the hindbrain, or back section of the brain. The midbrain and hindbrain organize along this boundary during early embryonic development. Astrozyten modulieren Kommunikation zwischen Nervenzellen Synapsen sind die zentralen Schaltstellen der Nervenzellen im Gehirn. Diese nur wenige Tausendstel Millimeter großen Strukturen stehen in engem Kontakt mit den dünnen, sich stetig bewegenden Fortsätzen der benachbarten Astrozyten, einer Gruppe von Gliazellen. Die Zellausläufer sind mit einer Vielzahl an Signalmolekülen und Rezeptoren ausgestattet, die den Astrozyten erlauben, nicht nur Nervenzellen bei ihrer Kommunikation direkt zu belauschen, sondern sich auch einzumischen und mitzureden. Max Planck Institute for Experimental Medicine, Goettingen

8 Theme 5.. Thema 5.. DEGENERATION AND REGENERATION VERFALL UND ERNEUERUNG 4 4 The Brain and Hormones An absence of thyroid hormone during a critical period of brain development leads to irreversible damage, which manifests itself in human beings as cretinism. The picture shows cell cultures of the cerebellum treated with thyroid hormones. Gehirn und Hormone Fehlt das Schilddrüsenhormon während einer kritischen Periode der Gehirnentwicklung, kommt es zu irreversiblen Schädigungen, die sich beim Menschen in Kretinismus manifestieren. Das Bild zeigt mit Schilddrüsenhormonen behandelte Zellkulturen des Kleinhirns. Max Planck Institute of Experimental Endocrinology, Hanover Early Diagnosis of Neurodegenerative Diseases How can early recognition of neurodegenerative diseases be ensured? The PET (Positron Emission Tomography) scan is currently the most suitable tool for this purpose.the basis for this process is a new generation of PET scanners, which the Max Planck Institute for Neurological Research and CPS Innovations, a company based in Knoxville, Tennessee, jointly developed over the course of several years. The image shows glucose metabolism in brain tissue. Alzheimer s disease involves disturbances in metabolism and a characteristic distribution pattern. Frühdiagnostik bei neurodegenerativen Erkrankungen Wie lassen sich neurodegenerative Erkrankungen bereits im Frühstadium erkennen? Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist dafür das derzeit am besten geeignete Werkzeug. Grundlage dafür ist eine neue Generation von PET-Scannern, die vom Max-Planck-Institut für neurologische Forschung und der Firma CPS Innovations, Knoxville/USA, in mehrjähriger Zusammenarbeit entwickelt wurde. Im Bild ist der Glukose- Stoffwechsel im Hirngewebe zu sehen. Bei der Alzheimer- Demenz kommt es dabei zu Stoffwechselstörungen und einem charakteristischen Verteilungsmuster. Transport Breakdowns in Neurons Orderly transport in cells is particularly important when it comes to neurons with their long threadlike extensions. Here, the tau protein plays an essential role. However, if it is stored as amyloid, transport in the neuron is interrupted. This is precisely what occurs in neurodegenerative diseases, such as Alzheimer s, the most common brain disorder in older people. To date, there is no effective therapy against this disease. It is even hard to diagnose. In fact, it is often not possible to confirm with complete certainty whether a person has this disease or not until after he or she has died and an autopsy has been performed. Forensic specialists have found abnormal deposits of tau protein () in the brain or alpha synuclein (4), to be pro bably linked to Parkinson s disease. Due to their association with neurodegenerative diseases, both proteins have been the focus of research for many years. Wenn der Verkehr in der Nervenzelle entgleist Besonders bei Neuronen, mit ihren langen Fortsätzen, ist der geregelte Transport in der Zelle enorm wichtig. Dabei spielt das Tau-Protein eine essentielle Rolle. Lagert sich dieses Protein jedoch als Amyloid ab, entgleist der Verkehr in der Nervenzelle. Genau dieses Problem tritt bei neurodegenerativen Erkrankungen, wie der Alzheimer- Krankheit auf, der im höheren Alter inzwischen häufigsten Gehirnerkrankung. Eine wirksame Therapie gibt es bisher nicht. Selbst die Diagnose ist schwierig und eindeutig oft erst nach dem Tod, durch Autopsie, zu stellen. Man findet dann im Gehirn anormale Ablagerungen von Tau-Protein (4) oder dem Alpha-Synuclein (), welches wahrscheinlich mit der Parkinson-Krankheit in Verbindung steht. Beide stehen daher seit einigen Jahren im Zentrum der Erforschung neuro degenerativer Erkrankungen. Max Planck Research Unit for Structural Molecular Biology at DESY, Hamburg Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen Max Planck Institute for Neurological Research, Cologne CPS Innovations, Knoxville, Tennessee/USA

9 Theme 5.. Thema 5.. Conduction Disturbances in the Brain In the central nervous system, the glial cells (oligodendrocytes) are responsible for embedding the nerve tracts in an insul ating layer of myelin. Scientists at the Max Planck Institute for Experimental Medicine have genetically proven that oligodendrocytes are not only responsible for myelin production, but also for the survival of the nerve tracts themselves. Neurodegenerative diseases which damage the axons can also be the result of a defect in the cells that produce myelin, even if the myelin layer is not damaged. This means that in the search for molecular causes of neurodegenerative diseases and for new forms of therapy, myelin-producing cells also have to be studied. Leitungsstörungen im Gehirn Im zentralen Nervensystem übernehmen es Gliazellen (Oligodendrozyten), die Nervenbahnen in eine Isolierschicht aus Myelin einzubetten. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für experimentelle Medizin ist es gelungen, genetisch nachzuweisen, dass Oligodendrozyten nicht nur für die Produktion des Myelins, sondern auch für das Überleben der Nervenbahnen selbst verantwortlich sind. Neurodegenerative Erkrankungen, bei denen es zu einer Schädigung der Axone kommt, können also auch das Resultat eines Defekts in den Myelin-bildenden Zellen sein, auch wenn es gar nicht zu einer Schädigung der Myelin-Schicht kommt. Bei der Suche nach den molekularen Ursachen neurodegenerativer Krankheiten und der Entwicklung neuer Therapien müssen künftig also auch die Myelin-bildenden Zellen einbezogen werden. Max Planck Institute for Experimental Medicine, Goettingen Multitalented Myelin Myelin acts as an electric insulator in our nervous system. The thickness of the myelin sheath is proportional to the thickness of the wrapped axon itself. But, how do cells know whether they are wrapping a thick or thin axon at any given time? Scientists at the Max Planck Institute for Experimental Medicine discovered an important mechanism involved in this communication. They managed to increase the amount of a certain growth factor in neurons, which led to a rise in myelin production. This discovery raises new hope. Additional experiments will be conducted to determine whether this technique can be implemented to repair specific parts of a damaged nervous system and whether it can be used as a form of therapy against diseases like multiple sclerosis. Multitalent Myelin Myelin funktioniert in unserem Nervensystem wie ein elektrischer Isolator. Die Dicke der Myelinscheide ist dabei proportional zur Dicke des umwickelten Axons selbst. Wie aber können die Zellen wissen, ob sie gerade ein dickes oder ein dünnes Axon umwickeln? Wissenschaftler am Max- Planck-Institut für experimentelle Medizin haben einen wichtigen Mechanismus dieser Kommunikation aufgedeckt. Ihnen gelang es die Menge eines bestimmten Wachstumsfaktors in Neuronen zu erhöhen, was zur verstärkten Myelinbildung führte. Diese Entdeckung weckt neue Hoffnungen: Weitere Experimente sollen zeigen, ob man so auch gezielt Reparaturprozesse im kranken Nervensystem unterstützen und für Therapien, zum Beispiel bei Multipler Sklerose, einsetzen kann. Max Planck Institute for Experimental Medicine, Goettingen

10 Theme 5.. Thema 5.. How Well Can the Brain Regenerate Itself? One of the greatest challenges of modern neuroscience is to find ways to repair damage to the nervous system. Recent studies based on functional magnetic resonance tomo graphy show that the adult brain has only a limited capacity to spontaneously regenerate after being injured. For this reason, researchers are looking for ways to improve brain regeneration through specific drugs. Wie regenerationsfähig ist das Gehirn? Zu den großen Herausforderungen der modernen Neurowissenschaft gehört die Frage, wie man Verletzungen des Nervensystems reparieren kann. Neue Studien mit der funktionellen Kernspintomographie zeigen, dass sich das erwachsene Gehirn nach Verletzungen nur bedingt spontan regenerieren kann. Daher suchen Forscher nach Möglichkeiten, die Regenerationsfähigkeit durch Verabreichung bestimmter Pharmaka zu verbessern. Hope in the Fight Against Muscular Weakness Charcot- Marie-Tooth disease, CMT for short, is an inherited neurological disorder which causes damage to myelin nerve sheaths. A recent study shows that the condition of rats suffering from CMT improves when they are treated with a hormone blocker, making the hormone receptor the pharmacological target for a possible cure. Hoffnung gegen Muskelschwäche Die Charcot-Marie- Tooth-Krankheit, kurz CMT, ist eine erbliche Nervenkrankheit, bei der es zu Schädigungen der Nervenhüllen kommt. Eine neue Studie zeigt, dass sich das Krankheitsbild bei an CMT leidenden Ratten durch die Behandlung mit einem Hormonblocker verbessert. Damit ist der Hormonrezeptor pharmakologisches Ziel für eine mögliche Therapie. Max Planck Institute for Experimental Medicine, Goettingen University of Goettingen Federal Institute of Technology, Zurich/Switzerland Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Tuebingen 4 Cell Death in the Brain The red blood cell growth factor, erythropoietin (EPO), protects neurons in the brain. However, what role does thrombopoietin (TPO) play in this organ? According to recent scientific findings, TPO eliminates excess neurons which did not reach their destination. The picture shows that in the case of a lack of oxygen, TPO production is impaired. Under such conditions, the cell-killing effect of TPO is not desirable. Zelltod im Gehirn Der Wachstumsfaktor der roten Blutkörperchen, Erythropoietin (EPO), besitzt im Gehirn für Nervenzellen schützende Eigenschaften. Welche Rolle spielt jedoch Thrombopoietin (TPO) im Gehirn? Nach neuesten Erkenntnissen eliminiert TPO überflüssige, nicht am Zielort angelangte Nervenzellen. Das Bild zeigt, dass unter Sauerstoffmangel die TPO-Produktion gedrosselt wird: Unter solchen Bedingungen ist die regulierende zell tötende Funktion von TPO nicht wünschenswert. Max Planck Institute for Experimental Medicine, Goettingen 4 Regeneration Research for Strokes In the future, strokes may be treated in three ways: recuperation, re organization and regeneration. Using advanced magnetic resonance tomography, Max Planck researchers observed how embryonic stem cells implanted in a rat s brain migrated towards stroke-damaged tissue in order to differentiate into neurons. Regenerationsforschung bei Schlaganfall Die Schlaganfall-Therapie könnte künftig auf drei Strategien be ruhen: Erholung, Reorganisation und Regeneration. Mit einem weiterentwickelten Kernspintomographen beobachteten Max-Planck-Forscher, wie sich implantierte embryonale Stammzellen im Ratten-Hirn gezielt zum Herd eines Schlaganfalls bewegten und dort zu Nervenzellen differenzierten. Max Planck Institute for Neurological Research, Cologne

11 Theme 5. video Thema 5. video 4 4 Protein Deposits in Parkinson s, Alzheimer s and Creutzfeldt-Jakob Disease Spontaneous accumulations of proteins and peptides into amyloids play a major role in many degenerative diseases of the brain. The corresponding protein is known for Parkinson s and can be produced and observed in the laboratory. It has been shown that the manner in which the protein aggregates depends on the surrounding conditions. This knowledge not only contributes to an understanding of illnesses such as Parkinson s, Alzheimer s and Creutzfeldt- Jakob diseases, it is also needed for therapy development. Proteinablagerungen bei Parkinson, Alzheimer und Creutzfeldt-Jakob Bei vielen degenerativen Krankheiten des Gehirns spielen spontane Zusammenschlüsse von Proteinen und Peptiden zu Amyloiden eine wesent liche Rolle. Für Parkinson ist das entsprechende Protein bekannt und kann im Labor hergestellt und beobachtet werden. Es zeigt sich, dass die Art und Weise, wie sich die Protein-Aggregate zusammenfügen, von den Umgebungsbedingungen abhängt. Diese Erkenntnisse tragen nicht nur zum Verständnis von Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und Creutzfeldt- Jakob bei, sie sind auch Voraussetzung für die Entwicklung von Therapien. Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Goettingen Der lange Weg der Nervenzellen Nervenzellen finden den Weg zu ihrem Bestimmungsort mithilfe ihres langen Fortsatzes, dem Axon, und durch Kontakt zu umliegenden Zellen. Das Axon bildet einen Wachstumskegel mit fühlerartigen Ausläufern, mit denen sich die Zelle ihren Weg durch das Gewebe bahnt oder sich mit anderen Nervenzellen zu einem Netz verbindet. Die umliegenden Zellen weisen der Nervenzelle bei ihrer Wanderung den Weg, indem sie sich kurz mit ihr verbinden und dabei spezielle Proteinkomplexe ausbilden. Diese werden von den beteiligten Zellen nach der Abstoßung aufgenommen und abgebaut. Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried Traffic Jam on the Cell Highway Brains of Alzheimer s patients show a sharp decrease in nerve cells, involved in processing memory capacities and thin king processes. New knowledge has provided insight into the disease process: it seems that the breakdown of cellular transport to the synapses along the axon is responsible for cell death. This transport is taken over by special motor proteins, the kinesins. Max Planck researchers were able to show that the function of the kinesins is destroyed by the accumulation of tau proteins, which normally stabilize the microtubules that serve as tracks for the kinesins. The Retina as a Model System Alzheimer s disease is the most common neurodegenerative illness. Its causes still are not yet fully understood. But it is known that some factors foster the disease s development. These include tau protein deposits in the brain that disrupt the transport in nerve cells. Scientists in the Max Planck research group for Structural Molecular Biology have developed a method with which they can examine the transport processes in nerve cells through the use of retina cells. Die Retina als Modellsystem Die Alzhei mer-krankheit ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung. Ihre Ursachen sind bis heute noch nicht vollständig ge klärt. Doch von einigen Faktoren weiß man, dass sie die Entstehung der Krankheit fördern. Dazu gehören Ablagerungen des Tau-Proteins im Gehirn, die den Transport in den Nervenzellen stören. Wissenschaftler der Max-Planck-Arbeitsgruppe für strukturelle Molekularbiologie haben eine Methode entwickelt, mit der sie Transportvorgänge in Nervenzellen untersuchen können. Dabei nutzen sie Retina- Zellen als Modellsystem. Max Planck Research Unit for Structural Molecular Biology at DESY, Hamburg The Long Journey of the Nerve Cells A nerve cell finds its the way to its destination with the help of its long extension, the axon, and through contact with surrounding cells. The axon forms a growth cone with fiber-like appendages, with which the cell pushes its way through the tissue or connects to other nerve cells to form a network. The surrounding cells point out the way to the nerve cells as they travel by connecting with them briefly and forming special protein complexes. These are absorbed and broken down by the involved cells after separation. Stau auf der Zellautobahn Gehirne von Alzheimer-Patienten zeigen einen starken Schwund von Nervenzellen, die Gedächtnisleistungen und Denkprozesse verarbeiten. Neue Erkenntnisse geben Einblick in den Krankheitsprozess: Ver antwortlich für das Zellsterben scheint der Zusammenbruch des zellulären Transports zu den Synapsen entlang des Axons zu sein, der von speziellen Motorproteinen, den Kinesinen, übernommen wird. Max- Planck-Forscher konnten zeigen, dass die Funktion der Kinesine durch die An sammlung von Tau-Proteinen gestört wird, die normalerweise die Mikrotubuli stabilisieren, die den Kinesinen als Gleise dienen. Max Planck Research Unit for Structural Molecular Biology at DESY, Hamburg

12 Theme 5.. Thema 5.. FROM MOLECULE TO THINKING VOM MOLEKÜL ZUM DENKEN Neural Meeting Place Points of contact to other neurons (red) can be seen on the many branches extending from a neuron. Human beings possess hundreds of billions of neurons, which are in contact with thousands of neighboring cells. Kontaktstelle Nervenzelle An den reich verzweigten Auswüchsen einer Nervenzelle sind Kontaktstellen mit anderen Nervenzellen erkennbar (rot). Der Mensch be sitzt rund hundert Milliarden Nervenzellen, die jeweils mit Tausenden von Nachbarzellen in Kontakt stehen. Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Goettingen Making Sense of Words This neuron originated in Wernicke s center in the cerebral cortex, which is re sponsible for processing language. In addition to the structural and functional organization of the cerebral cortex, Max Planck scientists are also studying the neural foundations of perception. Hier bekommen Wörter ihren Sinn Das Neuron stammt aus dem Wernicke-Zentrum in der Großhirnrinde, das sich mit der Verarbeitung von Sprache befasst. Max-Planck- Wissenschaftler untersuchen neben der strukturellen und funktionellen Organisation der Großhirnrinde auch die neuronalen Grundlagen von Wahrnehmung. Max Planck Institute for Brain Research, Frankfurt (Main) 4 Slices of Brain A thin slice of mouse brain is the material used for GenePaint, a technique developed at the Max Planck Institute for Experimental Endocrinology for visualizing the expression of certain genes through insitu hybridization. Using this method, scientists plan to present the entire genetic network of the mouse brain over the next few years. At the Max Planck Institute for Molecular Genetics, researchers have already implemented this technology to create a gene expression card for chromosome, which will be used in further work on Down Syndrome. Gehirn in Scheiben Der hauchdünne Schnitt durch ein Mäusehirn ist das Ausgangsmaterial für GenePaint, eine am Max-Planck-Institut für experimentelle Endokrinologie entwickelte Methode. Dabei wird durch in-situ-hybridisie rung die Exprimierung bestimmter Gene sichtbar. Wissenschaftler wollen so innerhalb der nächsten Jahre das gesamte genetische Netzwerk im Mäusehirn sichtbar machen. Am Max-Planck-Institut für molekulare Genetik haben Forscher mithilfe dieser Technik bereits eine Genexpressionskarte für das Chromosom erstellt, die als Grundlage weiterer Arbeiten zum Down-Syndrom dient. 4 Brain Network In collaboration with other types of neu rons in the cerebral cortex, red pyramid cells create a tightly wired network. The pseudo-phase-contrast setting on the microscope produces a three-dimensional image of their arrangement. Das Netzwerk im Gehirn Die rot gefärbten Pyramidenzellen bilden zusammen mit anderen Arten von Nervenzellen in der Großhirnrinde ein eng verschaltetes Netz. Die Pseudo-Phasenkontrast-Einstellung am Mikroskop ermöglicht eine dreidimensionale Darstellung ihrer Anordnung. Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried Max Planck Institute of Experimental Endocrinology, Hanover Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin

13 Theme 5.. Thema Retinal Circuitry During embryonic development, the retina emerges as a protuberance of the future brain and is part of the central nervous system. Due to its clear structure and easy accessibility for experiments, it serves as a simple model in studies of the central nervous system. Verschaltungen der Netzhaut Die Netzhaut entsteht in der Embryonalentwicklung als Ausstülpung des zukünftigen Gehirns und ist Teil des Zentralnervensystems. Wegen ihres klaren Aufbaus und ihrer guten Zugänglichkeit für Experimente dient sie als einfaches Modell für Untersuchungen des Zentralnervensystems. Max Planck Institute for Brain Research, Frankfurt (Main) Race to the Ears In order to localize a sound, our auditory system compares the time it arrived at each ear. In doing so, the human ear can distinguish time differences of a few millionths of a second. Schallrennen zum Ohr Zur Ortung von Tönen und Geräuschen vergleicht unser Gehör die Ankunftszeit des Schalls an beiden Ohren. Das menschliche Gehör kann dabei Zeitunterschiede von wenigen Millionstel Sekunden verwerten. Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried Sixth Sense for Recognizing Mates Mice can gene tically recognize other members of their species and therefore also their mates by smelling specific immune molecules. Max Planck scientists recently discovered that short peptides, which play a significant role in the immune system, specifically stimulate neurons in the olfactory system. Sechster Sinn für die Partnererkennung Mäuse können ihre Artgenossen und damit ihre Partner über das Riechen spezifischer Immunmoleküle genetisch unterscheiden. Max-Planck-Wissenschaftler fanden jetzt heraus, dass kurze Peptide, die eine wichtige Rolle im Immunsystem spielen, die Neuronen im Geruchsorgan ganz spezifisch erregen. Max Planck Institute for Immunobiology, Freiburg 4 5 Complex Communication Pathways Synapses are responsible for communication between neurons. Their job is to transmit the flow of information quickly and accurately. Researchers are interested in finding out more about the molecular activities involved in this process. After all, the ability of neurons to perform various tasks, from collecting and processing information to complex brain functions such as learning and remembering, depends on such molecular processes. When information is transferred between synapses, there is a delay of a thousandth of a second. This time difference is essential for real-time processing of sensory information in the brain. However, scientists are still not sure what mechanism lies behind this highly accurate system. Komplexe Signalwege Die Kommunikation zwischen Nervenzellen findet an den Synapsen statt. Dort muss schnell und präzise eine Flut von Informationen weitergegeben werden. Forscher wollen wissen, was sich dabei auf molekularer Ebene abspielt. Schließlich beruht auf solchen molekularen Prozessen die Fähigkeit der Nervenzellen, Informationen zu sammeln und zu verarbeiten bis hin zu komplexen Gehirnfunktionen wie Lernen und Gedächtnis. So kommt es bei der Informationsübertragung an der Synapse zu einer zeitlichen Verzögerung von einer Tausendstel Sekunde. Diese Zeitdifferenz ist essentiell für die zeitgenaue Verrechung von Sinnesinformationen im Gehirn; doch welcher Mechanismus hinter der hohen Zeitgenauigkeit steckt, ist noch unklar. Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen

14 Theme 5.. Thema 5.. How Does the Brain Develop and Operate? Damaged or missing genes can lead to complex impairment of the brain. Based on the embryonic nervous system of the fruit fly (), scientists are studying how axons orient themselves during development. Certain proteins at the ends of axons either attract or repel, thereby guiding the axons. However, these neural circuits are also interesting to study in the adult brain. For example, scientists discovered a protein that effects brain reactivity () and found a signal pathway that leads to increased transfer of pain stimuli from bone marrow to the brain in the case of infections (). Wie funktioniert und entwickelt sich das Gehirn? Beschädigte oder fehlende Gene können zu kom plexen Beeinträchtigungen im Gehirn führen. Im embryona len Nervensystem der Taufliege () untersuchen Wissenschaftler, wie Axone sich bei der Entwicklung orientieren. Dabei wirken bestimmte Proteine auf die Enden der Axone entweder anziehend oder abstoßend und dienen so als Wegmarkierung. Aber auch im aus gewachsenen Gehirn sind die Schaltkreise der Nervenzellen ein interessantes Forschungsgebiet. So fanden Wissenschaftler ein Protein, das die Reak tions fähigkeit des Gehirns beeinflusst () und entdeckten einen Signalweg, der bei Entzündungen zu einer verstärkten Schmerzreizleitung vom Rückenmark zum Gehirn führt (). Max Planck Institute of Experimental Endocrinology, Hanover Max Planck Institute for Experimental Medicine, Goettingen Max Planck Institute for Brain Research, Frankfurt (Main)

15 Theme 5. video Thema 5. video What Is the Basis of Learning? Information from different sensory systems converges in the hippocampus, which plays an important role in transferring information from short-term to long-term memory. Max Planck scientists use highfrequency stimulation of hippocampus nerve cells to show what happens in the cells when we learn: if signal transmission to the synapses is continuously increased, the stimulated signal path leaves its mark. Similarly, if there is less stimulation, the contact points degenerate and we forget. Was ist die Basis des Lernens? Der Hippocampus, in dem Informationen verschiedener sensorischer Systeme zusammenfließen, spielt eine wichtige Rolle bei der Informationsübertragung vom Kurzzeit- ins Langzeitgedächtnis. Max-Planck-Wissenschaftler zeigen durch hochfrequente Stimulation von Hippocampus-Nervenzellen, was beim Lernen in den Zellen passiert: Die Signalübertragung an den Synapsen wird anhaltend verstärkt, der stimu lierte Signalweg prägt sich aus. Analog bilden sich die Kontaktstellen bei geringer Stimulation wieder zurück es kommt zum Vergessen. Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried Wachstum und Regeneration von Nervenzellen Welche Faktoren steuern das Wachstum von Nervenzellen? Wann sind welche Gene aktiv? Diesen Fragen geht man am Max-Planck-Institut für Neurobiologie nach, um vielleicht Möglichkeiten zu finden, diese Gene in geschädigten Nervenfasern wieder zu aktivieren und sie damit zum Wachstum anzuregen. Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Signalketten nach Verletzungen, wie bei Querschnittslähmung, erneut in Gang zu setzen und unterbrochene Nervenbahnen wieder zu schließen. Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried Examination of Anesthetic Agents The Max Planck Institute of Psychiatry is developing a method which can directly record in which areas of the brain the inhalation of anesthetics work preferably. The objective is to develop agents that selectively reduce the activity of nerve cells in those cerebral cortex areas that are significant for consciousness. On the other hand, active substances that have a strong effect on the hippocampus and that can lead to memory disturbances after the anesthetic, particularly in older patients, should be excluded. Growth and Regeneration of Nerve Cells Which factors control the growth of nerve cells? Which genes are active, and when? At the Max Planck Institute of Neurobiology, these are the questions being pursued in order to one day find possibilities to reactivate these genes in damaged nerve fibers and consequently to stimulate them to regrow. The findings could contribute to restarting signal chains after injuries, as with paraplegia, and to reconnect interrupted nerve tracts. Überprüfung von Narkosemitteln Das Max-Planck-Institut für Psychiatrie entwickelt eine Methode, mit der man erst malig direkt erfassen kann, in wel chen Be rei chen des Gehirns Inhalationsanästhetika bevorzugt wirken. Ziel ist es, Wirkstoffe zu entwickeln, die selektiv die Aktivität von Nervenzellen in jenen Bereichen der Hirnrinde absenken, die für die Bewusstseinsentstehung von Bedeutung sind. Dagegen sollen Wirkstoffe ausgeschlossen werden, die einen starken Effekt auf den Hippocampus haben und die vor allem bei älteren Patienten zu Gedächtnisstörungen nach der Narkose führen können. Max Planck Institute of Psychiatry, Munich

16 Participating Institutes and Partners Beteiligte Institute und Partner Research Institutes Forschungsinstitute Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Goettingen Max Planck Institute for Experimental Medicine, Goettingen Max Planck Institute for Medical Research, Heidelberg Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried International Research Schools Internationale Graduiertenschulen IMPRS for Neurosciences, Goettingen European Projects and Networks Europäische Forschungsprojekte und Netzwerke European Neuroscience Institute (ENI), Goettingen Marie Curie Neuroscience Early Stage Research Training (NEUREST) This area is supported by Dieser Bereich wird unterstützt durch Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Goettingen