Heterogenität der Ca2+-Ruhekonzentration von Atrozyten - zugrundeliegende Mechanismen und funktionelle Auswirkungen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Henneberger
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464485552

Nicht-neuronale Gliazellen des Hirns sind meist nicht elektrisch erregbar. Stattdessen wandeln sie eingehende Signale häufig in zytosolische [Ca2+]-Veränderungen um. Ein wichtiges Beispiel sind Astrozyten - ein Subtyp der Gliazellen. Sie zeichnen sich durch Ca2+-Signale mit bemerkenswert komplexen Mustern auf subzellulärer und Netzwerkebene aus. Wichtig ist, dass solche Ca2+-Signale mehrere nachgeschaltete Funktionen steuern können. Diese umfassen die Freisetzung von Signalmolekülen wie Glutamat und ATP, welche ihrerseits die neuronale Erregbarkeit, die synaptische Übertragung und deren Plastizität tiefgreifend verändern können.Wir haben kürzlich begonnen, Ca2+-Signale von Astrozyten quantitativ zu untersuchen, da es an Informationen über die zugrundeliegenden biophysikalischen Mechanismen mangelt. Wir haben zunächst mit quantitativen, fluoreszenzmikroskopischen Messungen von [Ca2+] untersucht, wie die subzelluläre Ruhekonzentration von Ca2+ diese Ca2+-Signale steuert. Wir fanden heraus, dass die Ruhekonzentration, d. H. das stabile lokale [Ca2+] in Abwesenheit von transienten Signalen, subzellulär sehr variabel war. Wichtiger: die lokale Ruhekonzentration bestimmte die Größe lokaler astrozytärer Ca2+-Signale in vitro, in anästhesierten und wachen Mäusen und im Hippokampus und Neokortex. Somit ist die lokale Ruhekonzentration ein wichtiger und dynamischer Regulator astrozytärer Ca2+-Signale über Gehirnregionen und verschiedene relevante experimentelle Bedingungen hinweg.Wir wollen nun zwei wichtige Fragen beantworten. 1) Welche Mechanismen erzeugen die subzelluläre und interzelluläre Heterogenität der Ruhekonzentration in vitro und in vivo? 2) Welche funktionellen Konsequenzen hat diese Heterogenität für die Kontrolle wichtiger Signalmoleküle wie ATP, Glutamat und GABA? Wir haben unser experimentelles Repertoire erweitert, um diese Fragen zu beantworten. Zum Beispiel haben wir zusätzliche Techniken für die quantitative Fluoreszenzmikroskopie etabliert, einen speziellen Messplatz für die Mikroskopie in vivo installiert und erste in vivo Ca2+-Messungen durchgeführt. Außerdem haben wir erfolgreich optische Sensoren für extrazelluläres ATP und GABA getestet, was unser vorhandenes Wissen zur Visualisierung von Glutamat ergänzt. Wir können nun 1) die Quelle der subzellulären und interzellulären Heterogenität der Ruhekonzentration in akuten Hirnschnitten ermitteln, 2) Mechanismen aufdecken, die das Ruhekonzentration von Ca2+ in vivo steuern, und 3) visualisieren, wie die Ruhekonzentration und deren Steuerung von astrozytären Ca2+-Signalen die extrazellulären Spiegel wichtiger Signalmoleküle bestimmt.Die geplante Forschung wird neue, quantitative und wichtige Einblicke in die Regulation von Ca2+-Signalen in Astrozyten liefern. Darüber hinaus werden wir deren Einfluss auf wichtige Signalmoleküle direkt visualisieren und quantifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: FLIM upgrade of in vivo setup
• Gerätegruppe: 5080 Optisches Mikroskopzubehör