neuronale Plastizität

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1 Neuroanatomie Forschung: Unter neuronaler Plastizität versteht man die Fähigkeit des Gehirns, seine strukturelle und funktionelle Organisation veränderten Bedingungen anzupassen. Neuronale Plastizität ist eine fundamentale Eigenschaft des Gehirns und ist die zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis. Neuronale Plastizität lässt sich beginnend von der Gehirnentwicklung bis in das hohe Alter hinein beobachten. Auch bei Schädigungen des zentralen Nervensystems (ZNS) ist die neuronale Plastizität von Bedeutung. So können überlebende Nervenzellen ihre Verbindungen verändern, um einen Teil der Ausfälle zu kompensieren. Neuronale Plastizität scheint aber auch bei einigen Maladaptationen des Gehirns beteiligt zu sein, denn verschiedene Untersuchungen weisen auf eine verminderte neuronale Plastizität während der Depression hin. Änderungen bei der Gehirnentwicklung Änderungen während des Alterns neuronale Plastizität Regeneration (z.b. Verletzungen) Maladaption Gedächtnis (Lernen aber auch Vergessen) Abb. 1: Neuronale Plastizität ist eine fundamentale Eigenschaft unseres Gehirns, die an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt ist. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit den Grundlagen neuronaler Plastizität von Nervenzellen im ZNS unter physiologischen (Lernen) und psychopathologischen (z.b. Depression) Bedingungen. Die morphologischen Änderungen, die im Zusammenhang mit der neuronalen Plastizität stehen, werden auf mikroskopischer Ebene untersucht. Dabei interessieren uns insbesondere die Veränderungen, die an den dendritischen Dornen ( Spines ) zu beobachten sind, sowie die Neubildung von neuen Neuronen in einigen Hirnarealen ( Neurogenese ).

2 A B 5 µm Abb. 2: Strukturelle Korrelate neuronaler Plastizität können auf Ebene von dendritischen Dornen (A) oder auf Ebene der hippocampalen Neurogenese (B) beobachtet werden. Die zeitlichen Abläufe und die physiologischen Parameter der neuronalen Plastizität werden an lebenden Nervenzellen (mit Hilfe der Elektrophysiologie [extrazelluläre Ableitungen, LTP, LTD]) untersucht. A population spike stimulus EPSP CA1 B Control dentate gyrus CA mV Thetaburst ms min Abb. 3: Schematische Zeichnung eines hippocampalen Schnittpräparates (A) mit der Position von Reiz- (gelb) und Ableitelektroden (blau). An hippocampalen in-vitro Lebendschnittpräparaten kann nach einer hochfrequenten Reizung ( Thetaburst ) eine langanhaltende Erhöhung der exzitatorischen Postsynaptischen Potentiale (EPSP) ausgelöst werden (B). Dieses Phänomen wird als LTP ( longterm potentiation [Langzeitpotenzierung]) bezeichnet. LTP wird als ein zellulärer Mechanismus angesehen, dem Lern- und Gedächtnisprozesse zugrunde liegen. Die Untersuchungen werden hauptsächlich am Hippocampus (eine Hirnregion, die für Lern- und Gedächtnisprozesse von großer Bedeutung ist) und an der Amygdala (einer Hirnregion, die für emotionale Vorgänge sehr wichtig ist) von Mäusen durchgeführt. Zentrale wissenschaftliche Fragen unserer Arbeitsgruppe sind: Was geschieht bei der neuronalen Plastizität?

3 Welche strukturellen Veränderungen treten bei unterschiedlichen Aktivitätszuständen von Nervenzellen auf? Welche Rolle spielt die Neurogenese? Welche Moleküle regulieren diese Prozesse? Was geschieht während des Alterns? Obgleich lange postuliert wurde, dass es während des Alterns zu einem signifikanten Verlust von Neuronen im Vorderhirn kommt, konnten neuere Untersuchungen dies nicht bestätigen. Kommt es zu Änderungen an den Spines? Kommt es zu Veränderungen bei der Neurogenese? Was sind die Gründe und Ursachen dafür? Welche Rolle spielt neuronale Plastizität im Rahmen von neurologischen Erkrankungen? Kommt es zur Reorganisation des Gehirns bei neurologischen Erkrankungen (z.b. bei der Depression)? Findet sich eine Veränderung der neuronalen Plastizität bei neurodegenerativen Erkrankungen (Morbus Parkinson, Morbus Alzheimer)? Welche Rollen spielen Wachstumsfaktoren bei der neuronalen Plastizität? Wachstumsfaktoren spielen entscheidende Rollen bei der Gehirnentwicklung, jedoch sind sie, zusammen mit ihren spezifischen Rezeptoren, auch postnatal im Gehirn vorhanden. Können Wachstumsfaktoren Einfluss auf die neuronale Plastizität nehmen? Können sie Einfluss auf die Struktur des Gehirns nehmen? Könnten Wachstumsfaktoren hilfreich sein um Maladaptationen (z.b. Depression) abzumildern? Könnten Wachstumsfaktoren neurodegenerative Prozesse beeinflussen?

4 Publikationen: Originalarbeiten und Reviews: PubMed Bücher: von Bohlen und Halbach, O, Dermietzel, R (2006): Neurotransmitters and Neuromodulators. Handbook of receptors and biological effects. 2nd Edition. Wiley-VCH. Weinheim. von Bohlen und Halbach, O, Dermietzel, R (2002): Neurotransmitters and Neuromodulators. Handbook of receptors and biological effects. Wiley-VCH. Weinheim. von Bohlen und Halbach, O, Dermietzel, R (1999): Methoden der Neurohistologie. Spektrum-Verlag Heidelberg. Buchkapitel: von Bohlen und Halbach, O, Unsicker, K (2009): Neurotrophic Support of Midbrain Dopaminergic Neurons. In: Pasterkamp, J.R., Smidt; M.P., J. P. H. Burbach; J.P.H.: Development and Engineering of Dopamine Neurons (Advances in Experimental Medicine and Biology; Vol. 651). Landes Bioscience / Springer Roussa, E, von Bohlen und Halbach, O, Krieglstein, K (2009): TGF-ß in Dopamine Neuron Development, Maintenance and Neuroprotection. In: Pasterkamp, J.R., Smidt; M.P., J. P. H. Burbach; J.P.H.: Development and Engineering of Dopamine Neurons (Advances in Experimental Medicine and Biology, Vol. 651). Landes Bioscience / Springer Albrecht, D, von Bohlen und Halbach, O (2008): Cellular Cognition: A Focus on LTP and LTD in the Lateral Nucleus of the Amygdala. In: Kaiser, T.F. and Peters, F.J.: Synaptic Plasticity: New Research. Nova Science Publishers.

5 Unsicker, K, Reuss, B, von Bohlen und Halbach, O (2006): Fibroblast growth factors in brain functions. In: Lajtha, A., Lim, R (Eds.). Handbook of Neurochemistry and Molecular Neurobiology. 3rd Edition. Neuroactive Proteins and Peptides. Springer Albrecht D, Hellner, K, Walther, T, von Bohlen und Halbach, O (2003): Angiotensin II and the amygdala. In: Shinnick-Gallagher, P., Pitkänen, A., Shekhar, A., Cahill, L. (Eds). The amygdala in brain function: Basic and clinical approaches. Annals of the New York Academy of Sciences. 985: