Blick ins Hirn - jetzt in 3D
Baku, den 31. Mai (AZERTAG). Wie funktioniert das Gehirn? Deutsche Forscher haben erstmals mit einem 3D-Modell den Aufbau einer Synapse visualisiert. Die Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen sind Meister der Effizienz.
Ohne Synapsen funktioniert das Gehirn nicht. Sie sind die Kontaktstellen, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Bislang waren Aufbau und Ausstattung der hochkomplexen Strukturen ein Rätsel. Silvio Rizzoli von der Universitätsmedizin Göttingen hat nun erstmals alle wichtigen Bausteine einer Synapse in einem wissenschaftlich fundierten 3D-Modell nachgebildet. In einem eindrucksvollen Video zeigen sie den detaillierten Aufbau einer Rattensynapse.
Das Modell zeigt ungefähr 300.000 Proteine in großer anatomischer Genauigkeit, berichten die Forscher im Fachmagazin „Science“. Sowohl ihre Menge als auch ihre genaue Anordnung sind originalgetreu dargestellt. Um die Synapse nachzubilden, entnahmen die Forscher Ratten Teile des Gehirns und untersuchten die enthaltenen Moleküle. „Anhand des 3D-Modells der Synapse können wir nun erstmals zeigen, dass Proteine in ganz unterschiedlicher Anzahl für die verschiedenen Vorgänge innerhalb der Synapse benötigt werden“, sagt Benjamin Wilhelm, der ebenfalls für die Universitätsmedizin Göttingen forscht.
Besonders interessierten die Forscher sogenannte synaptische Vesikel, kleine Bläschen, die sich in den Synapsen befinden. Sie beinhalten die Botenstoffe, über die Synapsen Informationen weitergeben. Werden diese Botenstoffe frei, gehen die Vesikel kaputt. Anschließend werden die Bausteine recycelt und genutzt, um neue Vesikel herzustellen.
Die Forscher haben entdeckt, dass jede Zelle etwa 26.000 der Proteine besitzt, die an der Ausschüttung der Botenstoffe aus den Vesikeln beteiligt sind. Dagegen sind Proteine, die für das Recycling der Vesikel zuständig sind, lediglich mit 1.000 bis 4.000 Kopien pro Synapse vertreten.
Die Funktion von Zellen simulieren - Unklar war bisher, wie viele synaptische Vesikel in einer Synapse gleichzeitig verwendet werden können. Die aktuelle Studie zeigt. Um Botenstoffe freizusetzen, sind mehr als genug Proteine vorhanden. Doch die für das Recycling vorhandenen Proteine reichen nur für sieben bis elf Prozent aller Vesikel in der Synapse aus. Heißt: Der Großteil der Vesikel einer Synapse kann nicht gleichzeitig genutzt werden.
Der Funktion der Hirnzellen tut das keinen Abbruch. Denn die Anzahl der jeweils benötigten Proteine ist erstaunlich genau aufeinander abgestimmt. Es gebe weder Unterproduktion noch Verschwendung. Wie genau die Zellen die Feinabstimmung bewerkstelligen, bleibt weiter unklar. Einfach ist das System jedenfalls nicht, denn verschiedenen Proteine werden auf ganz unterschiedlichen Wegen in den Zellen transportiert und leben unterschiedlich lang.
Das neue Modell soll helfen, künftig zielgerichteter zu forschen. Außerdem soll es weitere 3D-Modelle aus dem Gehirn geben: „Unser Ziel ist es, letztendlich eine komplette Nervenzelle zu rekonstruieren“, sagt Rizzoli. Kombiniert mit Studien zur Funktion und zur Wechselwirkung einzelner Proteine wäre es damit in ferner Zukunft möglich, die Funktion der Zelle zu simulieren.
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