Calciumsignale in Neuronen während der frühen Entwicklung: Experimente und Theorie

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Friedrich Johenning; Professor Dr. Igor M. Sokolov, seit 11/2019
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327008147

Calcium spielt eine wichtige Rolle in der neuronalen Signalübertragung, da es als elektrischer Ladungsträger an der Membran und als biochemischer second messenger dient. In diesem Projekt untersuchen wir die Rolle des Calciums beim Aufbau neuronaler Netzwerke in der frühen postnatalen Entwicklung des Gehirns, die durch Wachstum/Entstehung und Schrumpfung/Verschwinden von Dendriten, Spines und Synapsen gekenngezeichnet ist. Neuronale Plastizität und Netzwerkentwicklung hängen von Erhöhungen der intrazellulären Calciumkonzentration ab, die das Wachstum von Dendriten und Filopodien regulieren. Mit Hilfe von Experimenten und Modellierung haben wir kürzlich gezeigt, dass die Calcium-Freisetzung aus intrazellulären Speichern via Ryanodinrezeptoren in der Lage ist, Signalnanodomänen zu erzeugen, die an der Plastizität der dendritischen Spines beteiligt sind (Johenning et al., PLOS Biology, 2015).Wir schlagen in unserem Antrag vor, die funktionelle Wechselwirkung zwischen Calcium-Signalen und Spinebildung in einem interdisziplinären Ansatz zu untersuchen. Die Dynamik von Calcium ist ein Phänomen, das sehr variabel in Raum und Zeit gestaltet ist. Cytosolische Calciumspiegel werden durch koordinierten ionenkanalvermittelten Influx über die Plasmamembran sowie die Freisetzung aus intrazellulären Speichern verändert. Sobald Calcium freigesetzt wird, diffundiert es im Cytosol und erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit von benachbarten intrazellulären Kanälen. Dies stellt einen selbstverstärkenden Mechanismus dar, der entscheidend für die Erzeugung von Calciumwellen ist.Mit Hilfe modernster experimenteller Techniken werden wir die Verteilung der intrazellulären Speicher in Dendriten und die plasmamembranvermittelten Faktoren für Calcium-Signale charakterisieren. Theoretische Forschung wird dann auf den experimentellen Ergebnissen basieren und ein quantitatives Modell der Calciumwellen in Dendriten und Spines vorschlagen und studieren. Die theoretischen Verfahren, die speziell auf die Mehrskalen-Natur der Calciumkonzentration angepasst sind, erlauben eine detaillierte Untersuchung der lokalen Verteilung von Calcium in der Mikro- und Nanodomänen, die nicht direkt der Fluoreszenzmikroskopie zugänglich ist. Unser interdisziplinärer Ansatz wird den Zusammenhang der räumliche Struktur von Calcium-Signalen mit der Verteilung von Spines und dem Wachstumsmuster dendritischer Äste identifizieren und damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis liefern, wie Calcium-Signale die postnatale Entwicklung des neuronalen Netzwerks kontrollieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Privatdozent Dr. Sten Rüdiger, bis 11/2019