Forschungszentrum Jülich

3-D-Modelle menschlicher Synapsen

Jülicher Forscher haben erstmals quantifizierbare Modelle von Synapsen in der menschlichen Großhirnrinde veröffentlicht. Es zeigte sich: Zwischen Mensch und Tier, aber auch zwischen Mann und Frau gibt es deutliche Unterschiede.

3-D-Modelle menschlicher Synapsen

Prof. Dr. Joachim Lübke | Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach

Seit vielen Jahren verfolgt Prof. Joachim Lübke vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-10), das Ziel, hochaufgelöste 3-D-Modelle der Synapsen im menschlichen Gehirn zu erstellen. Die winzigen Kontaktstellen zwischen Nervenzellen ließen sich lange Zeit nur im Tiermodell untersuchen. Nun hat der Hirnforscher gemeinsam mit seinem Team und Kooperationspartnern erstmals quantifizierbare Modelle von Synapsen in der menschlichen Großhirnrinde veröffentlicht. Es zeigte sich: Zwischen Mensch und Tier, aber auch zwischen Mann und Frau gibt es deutliche Unterschiede.

Neuroradiologie

Der Neuroradiologie des Inselspitals gelingt es in einem neuartigen Verfahren, pathologische elektrische Aktivität im Inneren des Gehirns sichtbar zu machen. Damit verbessern sie die Diagnostik von Epilepsie-Patienten.

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„Eine der großen Fragen der heutigen Forschung an Synapsen ist, ob sich die Ergebnisse, die tierexperimentell gewonnen wurden und werden, eins zu eins auf den Menschen übertragen lassen. Denn das meiste, was wir über Synapsen wissen, stammt aus Studien an verschiedenen Tiermodellen und Tierspezies“, erklärt Lübke. Die Forscher in Joachim Lübkes Arbeitsgruppe haben es sich zum Ziel gesetzt, den Aufbau dieser Kontaktstellen bis ins kleinste Detail zu erfassen. Die Strukturen sind so winzig, dass sie sich nicht mehr mit dem Licht-, sondern nur noch mit dem Elektronenmikroskop abbilden lassen.

Vom Tiermodell hin zur Erforschung menschlicher Synapsen

„Wenn man Synapsen aus verschiedenen Gehirnregionen und Schichten oder sogar von verschiedenen Spezies vergleicht, stößt man auf frappierende Unterschiede. Synapsen bilden sich nicht einfach irgendwie aus, sondern sind in ihrem Aufbau perfekt an ihre jeweilige Aufgabe in einem gegebenen Netzwerk im Gehirn angepasst“, konstatiert der Jülicher Hirnforscher.

Ein wichtiger Schritt vom Tiermodell hin zur Erforschung menschlicher Synapsen gelang ihm vor acht Jahren. Damals konnten sie das Universitätskrankenhaus in Bonn und später in Bochum als Kooperationspartner gewinnen. Die dortigen Neurochirurgen halfen ihnen, an frische Gewebeproben für ihre Forschung zu gelangen. Die Proben stammen entweder von Tumorpatienten, die operiert werden, oder Menschen, die unter Epilepsie leiden. Wenn keine Chemotherapie oder Medikamente mehr helfen, ist der chirurgische Eingriff die einzige Möglichkeit, die erkrankten Teile des Gehirns zu entfernen. Bei der Epilepsiechirurgie wird zunächst der epileptische Fokus bestimmt. Sind tieferliegende Gehirnstrukturen wie der Hippocampus betroffen, wird zuerst das darüberliegende Gehirngewebe der Großhirnrinde gezielt entfernt, um einen Zugang zu schaffen. Dieses entnommene Gewebe ist es, das Joachim Lübke – bei Einwilligung des Patienten – für seine Forschung nutzen kann.

Nachbildung einer kortikalen Kolumne

Für die nächsten Jahre steht nun eine detaillierte Nachbildung einer kortikalen Kolumne im menschlichen Temporallappen auf dem Plan. Die Hirnregion spielt eine wichtige Rolle für die unterschiedlichen Prozesse der Sinneswahrnehmung. Sie wird unter anderem mit dem Hören und Sehen, aber auch mit dem Gedächtnis in Verbindung gebracht. Eine kortikale Kolumne ist das kleinste funktionelle Modul in diesem sensorischen Areal, das sich typischerweise über alle sechs Schichten der Großhirnrinde erstreckt.

Zwei dieser Schichten – die Schichten 4 und 5 – haben die Jülicher Hirnforscher nun analysiert und aus Hunderten rekonstruierten Synapsen repräsentative 3-D-Modelle erstellt. Die Ergebnisse wurden in den renommierten Fachzeitschriften Cerebral Cortex und eLife sowie in einem Übersichtsartikel in Neuroforum Ende letzten Jahres veröffentlicht.