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Körnerzellen - Wie „sprechen“ Neuronen?

In einer Notsituation zeigt sich angeblich der wahre Charakter. Für die Zellen in unserem Gehirn ist die Temporalepilepsie eine solche Notsituation. Juniorprofessor Dr. Jakob Wolfart vom Neurozentrum der Universitätsklinik Freiburg untersucht zusammen mit seiner Arbeitsgruppe, wie sich das Verhalten von Neuronen verändert, wenn im Hippocampus das elektrische Chaos ausbricht. Denn die Veränderungen in den Stromflüssen an der Membran der Zellen verraten nicht nur etwas über die Krankheitsmechanismen. Sie enthüllen auch Details über die „normale“ Funktionsweise einer Nervenzelle. Und damit auch über die Syntax der elektrochemischen „Sprache“, mittels derer Nervenzellen kommunizieren.

Die Neuronen in unserem Gehirn erzeugen elektrische Signale und leiten diese an andere Nervenzellen weiter. Die Grundlage dieser „Sprache“ sind Ionenkanäle in den Zellmembranen. Indem sie Ionen über die Membran leiten, erzeugen und regulieren sie Spannungsveränderungen. Theoretisch sind angesichts der großen Anzahl möglicher Kombinationen von Ionenkanaltypen in unserem Gehirn unbegrenzt viele elektrische Aktivitätsmuster möglich; unendlich viele Möglichkeiten also, Wörter zu bilden und zu Sätzen zusammenzufügen. Trotzdem hat jeder Nervenzelltyp nur einen definierten Wortschatz mit einer definierten Anzahl von grammatikalischen Regeln. „Warum spricht jeder Nervenzelltyp seine ganz eigene Sprache“, fragt Dr. Jakob Wolfart, Leiter der Arbeitsgruppe Zelluläre Neurophysiologie am Neurozentrum der Universitätsklinik Freiburg. „Die Grundlage dafür ist ein spezifisches Arsenal an Ionenkanälen in der zellulären Membran und das elektrophysiologische Verhalten dieser Ionenkanäle.“

Wer überlebt das allgemeine Sterben?

Juniorprofessor Dr. Jakob Wolfart vor der Versuchsapparatur, die nötig ist, um Spannungsverläufe in Neuronen zu messen. © Dr. Jakob Wolfart

Wolfart ist von Haus aus Biologe. Irgendwann möchte er gänzlich verstehen, wie in unserem Gehirn eine solche babylonische Sprachenvielfalt entsteht. Dazu konzentriert er sich seit Jahren auf einzelne Nervenzelltypen und untersucht die Zusammensetzung ihrer Ionenkanäle sowie deren elektrophysiologische Eigenschaften. Als selbstständiger Arbeitsgruppenleiter im Umfeld des Epilepsiezentrums der Universitätsklinik Freiburg hat er seit Ende 2004 die seltene Möglichkeit, lebendes Gehirngewebe von Epilepsiepatienten zu untersuchen. Der Hippocampus wird nach einer starken Temporallappenepilepsie unter Umständen so endgültig geschädigt, dass er entfernt werden muss. Die Zellen, die seine Hauptmasse ausmachen, sterben während der unkontrollierten Entladungen, die typisch für eine Epilepsie ist, großflächig ab. Die einzigen Zellen, die verhältnismäßig gut erhalten bleiben, sind die Körnerzellen im Gyrus dentatus, einer Gehirnregion, die eine Art Pforte zum Hippocampus darstellt. „Allein deshalb stehen sie schon im Verdacht, etwas mit der Krankheit zu tu zu haben“, sagt Wolfart.

Er selbst glaubt nicht daran, dass Körnerzellen das Chaos während eines Epilepsieanfalls auslösen. Und trotzdem interessiert er sich für die Veränderungen in ihrer Aktivität. Der Grund hierfür ist, dass gerade der Vergleich von normalem und krankheitsbedingt verändertem Verhalten Rückschlüsse auf die Mechanismen der elektrochemischen Aktivität erlaubt, die zum charakteristischen Verhalten einer Körnerzelle führt. Im Krankheits- wie im Normalfall.

Die Abbildung zeigt in Grün die Rekonstruktion einer Körnerzelle eines Patienten, dessen Hippocampus zur Behandlung einer Temporallappenepilepsie operativ entfernt wurde. Die Zellkerne umliegender Körnerzellen sind rot markiert (mitProx1). Skalierung 100 µm. © Dr. Jakob Wolfart

Das frisch aus den Gehirnen von Patienten entfernte Gehirngewebe schneiden Wolfart und seine drei Mitarbeiter direkt nach einer Operation in hauchfeine Schnitte. „Dadurch haben wir die Körnerzellen in einem relativ natürlichen Zustand und können trotzdem einzelne Zellen untersuchen“, sagt Wolfart. Mit Hilfe von Patch-Clamp-Elektroden messen die Forscher Spannungsverläufe an den Membranen ihrer Untersuchungsobjekte und manipulieren diese mithilfe von Toxinen, die selektiv bestimmte Ionenkanäle blockieren. Auf diese Weise können sie feststellen, welche Ionenkanäle bei den nach einer Epilepsie entfernten Körnerzellen aktiv und für das elektrische Verhalten der Zellen zuständig sind. „Normalerweise würde man annehmen, dass die Zellen im Falle einer Epilepsie überaktiv sind. Denn eine Epilepsie zeichnet sich gerade durch unkontrollierbare und schnell aufeinander folgende elektrische Entladungen aus“, sagt Wolfart. „Wir fanden aber genau das Gegenteil: Die Körnerzellen scheinen vollkommen sediert und sind viel schwerer zu erregen als im Normalfall.“

Die molekulare Grundlage neuronaler Dialekte

Dieses Ergebnis der Messungen konnten Wolfart und sein Team zunächst nicht glauben und führten deshalb zahlreiche Wiederholungen und Kontrollexperimente in Mäusen durch. Sie fanden heraus, dass die Schläfrigkeit ihrer Zellen auf die Aktivität bestimmter Kaliumkanäle zurückzuführen ist. Kaliumkanäle dämpfen die Erregbarkeit in Nervenzellen üblicherweise ab. Mithilfe von Toxinen und Antikörpertests konnten die Forscher zeigen, dass mehrere Kaliumkanaltypen an dem veränderten Verhalten der Körnerzellen beteiligt sind. „Welche Rolle spielen diese Kanäle in gesunden Körnerzellen?“, fragt Wolfart. „Wenn eine Zelle eine bestimmte Gruppe von Ionenkanälen im Krankheitsfall hochreguliert, dann hat dieser Kanaltyp eventuell schon vorher eine Rolle gespielt und ist vielleicht ein wichtiger „Regler“ für diesen Zelltyp.“ Mithilfe von weiteren Messungen sowie Computermodellen wollen die Freiburger Forscher in Zukunft untersuchen, wie das Netzwerk aus Ionenkanälen das typische Verhalten von Körnerzellen erzeugt.

Außerdem möchte der Elektrophysiologe Wolfart die besondere Kanalausstattung von Körnerzellen mit der Ausstattung von anderen Zelltypen vergleichen. „Warum haben Körnerzellen genau diese Kombination von Ionenkanälen in ihrer Membran?“, fragt er. „Was macht sie zu den Zellen der Wahl in der Eingangsregion zum Hippocampus? Wie korrespondiert ihre Kanalausstattung mit ihrer Funktion im Gehirnnetzwerk?“ Die Vielfalt an verschiedenen „Sprachen“ in unserem Gehirn ist die Grundlage unseres Denkens, Fühlens und Erinnerns. Am Beispiel der Körnerzellen kann Wolfart einen kleinen Schritt nach vorne machen auf dem Weg zum Verständnis dieser Phänomene.

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