NeuroScienceLab Essen
Arbeitsgruppe: Mechanismen neuronaler Plastizität
Infolge des Schlaganfalls kommt es zu umfangreichen Reorganisationsprozessen im durchblutungsgestörten Gehirn. Nervenfasern, genannt Axone, aus gesunden Hirnarealen sprossen aus, wodurch verloren gegangene Hirnfunktionen wiedererlangt werden. Einen wesentlichen Beitrag zur Funktionserholung nach einem Schlaganfall leisten sogenannte Axonkollateralen, d.h. Seitenaussprossungen der Axone, die denervierte Nervenzellen neu innervieren. Mittels histochemischer und elektrophysiologischer Experimenten an Zellkulturen, die durch Forschungsprojekte an Hirnschnitten und am lebenden Tier ergänzt werden, untersucht die Arbeitsgruppe Mechanismen, die neuronaler Plastizität beim Schlaganfall zugrunde liegen.

Unsere Forschungsprojekte im Überblick:
  • Charakterisierung von Prozessen des Aussprossens von Axonenkollateralen und der Bildung neuer Synapsen infolge Sauerstoff-Glukose-Deprivation und freiem Radikalstress in vitro durch histochemische und immunhistochemische Methoden (Abbildung 1), unter anderem unter Verwendung hochauslösender Mikroskopie (sog. Stimulated Emission Depletion Imaging, STED) (Abbildung 2)
  • Analyse der Reorganisation von Nervenzellnetzwerken infolge Sauerstoff-Glukose-Deprivation in vitro durch Elektrophysiologie (sog. Multi Electrode Assays, MEA)
  • Analyse des Aussprossens mittellinien-kreuzender Axonenkollateralen infolge fokaler zerebraler Ischämie in vivo durch anterogrades und retrogrades Tract tracing und Golgi-Cox Färbungen
  • Charakterisierung der Rolle des Zellzytoskeletts beim Aussprossen von Axonen, der Ausbildung von Axonkollateralen, sowie beim Dendriten- und Synapsenwachstum

 

Charakterisierung des Aussprossens von Nervenfasern


Abbildung 1. Charakterisierung des Aussprossens von Nervenfasern und der Synapsenbildung mittels Immunhistochemie infolge Sauerstoff-Glucose-Deprivation in Zellkultur. In Teilabbildung (A) wurden eine postsynaptisches Protein (NMDAR, in rot), ein präsynaptisches Protein (VGLUT1, in grün) und ein Membranprotein (Syt1, in blau) mit spezifischen Antikörpern markiert (siehe vergrößerter Bildausschnitt), um glutamaterge Synapsen darzustellen. Teilabbildung (B) zeigt einen mit MAP2 gefärbten Dendritenbaum einer Nervenzelle, in dem ein für neuronale Plastizität wichtiger Transkriptionsfaktor, pCREB, markiert wurde. Maßstab, 25 μm.

 

Evaluation GABA-erger synaptischer Kontakte


Abbildung 2. Evaluation GABA-erger synaptischer Kontakte durch konventionelle konfokale Mikrokopie und Überlegenheit der sog. Stimulated Emission Depletion (STED)-Mikroskopie. Synaptische Kontakte wurden durch (A) konfokale Immunhistochemie für präsynaptisches VGAT-Protein (rot) und postsynaptisches Gephyrin (grün) markiert. (B) Die Kollokalisationsanalyse mittels konventioneller konfokaler Mikroskopie zeigt relativ große Signalüberlappungen (in rot gekennzeichnet; grün: Gephyrin+ Areale). (C) Dekonvolution mittels STED diskriminiert sehr viel kleinere Proteincluster mit einem Durchmesser von ~100 nm, welche vermutlich Synapsen sind ((D) zeigt überlagertes Bild aus (B) und (C)). Maßstab, 25 μm (aus Dzyubenko et al., 2016).
Publikationen

Bacigaluppi M, Russo GL, Peruzzotti-Jametti L, Rossi S, Sandrone S, Butti E, De Ceglia R, Bergamaschi A, Motta C, Gallizioli M, Studer V, Colombo E, Farina C, Comi G, Politi LS, Muzio L, Villani C, Invernizzi RW, Hermann DM, Centonze D, Martino G. Neural stem cell transplantation induces stroke recovery by upregulating glutamate transporter GLT-1 in astrocytes. J Neurosci. 2016; 36:10529-10544.

Dzyubenko E, Rozenberg A, Hermann DM, Faissner A. Colocalization of synapse marker proteins evaluated by STED-microscopy reveals patterns of neuronal synapse distribution in vitro. J Neurosci Methods. 2016; 273:149-159.
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