Forscher haben eine bahnbrechende Methode namens „Zap-and-Freeze“ entwickelt, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Aktivität von Gehirnzellen mit beispielloser Detailgenauigkeit zu beobachten. Bei dieser Technik werden Neuronen schnell mit Elektrizität stimuliert und dann innerhalb von Millisekunden schockgefrostet, um ihren Zustand für detaillierte Untersuchungen zu bewahren. Ziel ist es, Erkenntnisse über neurologische Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit zu gewinnen, bei denen gestörte Signalübertragung eine entscheidende Rolle spielt.
So funktioniert „Zap-and-Freeze“.
Der Prozess kombiniert elektrische Stimulation mit ultraschnellem kryogenen Einfrieren unter hohem Druck. Diese Methode erfasst Gehirnzellen in Aktion und deckt Dynamiken auf, die für eine herkömmliche Beobachtung zu schnell ablaufen. Die Technik wurde von einem Team der Johns Hopkins University School of Medicine sowohl an Gehirngewebe von Mäusen als auch von Menschen getestet.
Die Ergebnisse lieferten hochauflösende Details der synaptischen Funktion – der Verbindungen zwischen Neuronen, die für die Kommunikation zuständig sind – sowie des Verhaltens von Vesikeln, die chemische Nachrichten zwischen Zellen transportieren. Diese Interaktionen sind von grundlegender Bedeutung für kognitive Prozesse wie Lernen und Gedächtnis.
Wichtigste Erkenntnisse: Ultraschnelle Endozytose
Eine entscheidende Entdeckung war die Beobachtung der ultraschnellen Endozytose, einem Recyclingprozess, bei dem verbrauchte Vesikel entfernt und in weniger als 100 Millisekunden neue erzeugt werden. Dieser Prozess ist für die Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen neuronalen Kommunikation unerlässlich. Die Forscher identifizierten außerdem Dynamin1xA als Schlüsselprotein, das diese Endozytose vorantreibt.
„Dieser Ansatz hat das Potenzial, dynamische, hochauflösende Informationen über den Transport synaptischer Membranen in intakten menschlichen Gehirnschnitten aufzudecken“, erklären die Forscher in ihrer veröffentlichten Arbeit.
Die Tatsache, dass diese Ergebnisse zwischen Maus- und menschlichem Gewebe konsistent waren, unterstützt die Verwendung von Tiermodellen in der Hirnforschung und schafft Vertrauen in die Extrapolation der Ergebnisse.
Auswirkungen auf die Parkinson-Krankheit
Das Verständnis der Funktionsweise von Synapsen und Vesikeln auf dieser granularen Ebene könnte entscheidend für die Aufklärung der Mechanismen hinter der Parkinson-Krankheit sein. Es wird angenommen, dass der neuronale Tod bei Parkinson mit einer synaptischen Dysfunktion zusammenhängt. Obwohl die Krankheit komplex ist, könnte diese Technik dabei helfen, genau zu bestimmen, was auf molekularer Ebene schiefläuft.
Das Forschungsteam plant, seine Arbeit durch die Analyse von Gewebeproben von Parkinson-Patienten, die sich einer Gehirnoperation unterziehen, zu erweitern und dabei die Vesikelaktivität zwischen gesunden und betroffenen Gehirnen zu vergleichen. Dadurch könnten spezifische Unterschiede aufgedeckt werden, die das Fortschreiten der Krankheit vorantreiben.
Warum das wichtig ist
Weltweit sind Millionen Menschen von der Parkinson-Krankheit betroffen, und es wird erwartet, dass ihre Prävalenz zunehmen wird. Techniken wie „Zap-and-Freeze“ bieten ein wichtiges Werkzeug zur Kartierung der Gehirnaktivität in kleinsten Maßstäben und kürzesten Zeiträumen und können möglicherweise zu wirksameren Behandlungen führen. Durch die Visualisierung der Dynamik synaptischer Membranen in lebendem Gewebe können Wissenschaftler sowohl genetische als auch nicht genetische Formen der Erkrankung besser verstehen.
Die Entwicklung dieser Methode stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Neurowissenschaft dar und verspricht neue Wege zur Untersuchung der Gehirnfunktion und zur Behandlung neurologischer Störungen.
