Optogenetische, inhibirende Werkzeuge zur präzisen, optischen Untersuchung synaptischer Schaltkreise

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Soba; Professor Dr. Jörn Simon Wiegert
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315380903

Optogenetische Ansätze zur Manipulation neuronaler Aktivität sind inzwischen essentieller Bestandteil neurowissenschaftlicher Forschung. Sie ermöglichen es synaptische Plastizität, Netzwerkfunktion und die Rolle von definierten Gehirnregionen bei Verhalten zu untersuchen. Neben optogenetischen Aktivatoren sind auch inhibitorische Werkzeuge in den letzten Jahren konsequent weiterentwickelt worden. Die Entwicklung künstlicher und natürlicher licht-sensitiver Anionenkanäle (ACRs) ermöglicht neue Ansätze zur neuronalen Inhibition in vivo. Allerdings ist 1.) langanhaltende Inhibition neuronaler Aktivität und 2.) spezifische Inhibition von synaptischer Transmission noch immer stark limitiert. Im Gegensatz zu opotogenetischer Aktivierung benötigt eine anhaltende Inhibition kontinuierliche Beleuchtung, welche die gleichzeitige optische Visualisierung von neuronaler Aktivität erschwert. Außerdem kann sie das visuelle Verhalten des Tieres beeinflussen, und bei hoher Intensität auch phototoxisch sein. Zudem haben neueste Erkenntnisse gezeigt, dass ACRs nicht für optogenetische Inhibition von synaptischer Transmission geeignet sind. Basierend auf unseren ACRs, welche wir in der ersten Förderperiode entwickeltet haben, werden wir verbesserte bistabile Varianten mit folgenden Eigenschaften generieren. Sie sind 1) mit einem kurzen Lichtpuls aktivierbar, 2) anschließend in Abwesenheit von Licht mehrere Minuten aktiv, und 3) durch einen kurzen Lichtpuls mit hoher zeitlicher Präzision wieder inaktivierbar. Wir werden die neuen Varianten zudem in spezifische subzellulare Kompartimente dirigieren, um Netzwerk-spezifische und subzelluläre Manipulation neuronaler Aktivität zu erreichen.Bezüglich der zweiten Limitation gibt es dringenden Bedarf für ein optogenetisches Werkzeug, welches lokal synaptische Transmission inhibieren kann, ohne dabei generelle neuronale Aktivität zu beinträchtigen. Da ACRs dafür nicht geeignet sind, werden wir uns das hohe Potenzial von Gi/o- Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) zu Nutze machen, um synaptische Transmission zu inhibieren. Wir werden natürliche, licht-abhängige Rhodopsine und chimäre Varianten (opto-GPCRs) untersuchen, um geeignete, spezifisch Gi/o-gekoppelte Rezeptoren zu identifizieren. Dieser vielversprechende Ansatz sollte es uns erlauben, einen effizienten opto-GPCR für synaptische Inhibition zu generieren, welcher beliebig oft und über lange Zeiträume aktiviert werden kann.Zuletzt werden unsere neu entwickelten optogenetischen Werkzeuge sowohl im Säuger- als auch im Invertebraten-System in vivo geprüft, um deren Funktion und universelle Anwendbarkeit zu validieren. Dabei werden wir neue Fragestellungen in diesen Systemen adressieren, indem wir mit unseren optogenetischen Werkzeugen Netzwerkfunktion im nozizeptiven System von Drosophila, in hippocampalen Schnittkulturen und im thalamokortikalen System der Maus analysieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1926: Next Generation Optogenetics: Tool Development and Application
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Dr. Ofer Yizhar, Ph.D.