Kleinhirnzellen teilen sich die Arbeit Neurobiologen haben funktionelle Regionalisierung des Kleinhirns analysiert

Prof. Reinhard Köster und Dr. Hideaki Matsui vom Zoologischen Institut der Technischen Universität Braunschweig ist es gelungen, einen Einblick in die Funktionsweise des Kleinhirns zu bekommen. Mit Hilfe der Untersuchung von durchsichtigen Zebrafischen konnten sie nachweisen, dass das Kleinhirn in einzelne Funktionseinheiten unterteilt ist, die der Steuerung ausgewählter Bewegungen zugeordnet sind. Das kann unter anderem erklären, warum bei Schlaganfällen in bestimmten Hirnregionen auch nur ganz bestimmte Beeinträchtigungen auftreten. Ihre Forschungsergebnisse haben die Neurobiologen in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

Rätsel Kleinhirn

Prof. Dr. Reinhard Köster

Ohne unser Kleinhirn „geht“ im besten Sinne des Wortes nichts: Es ist vor allem für unsere Motorik zuständig, kontrolliert unsere Bewegungsabläufe, die Körperhaltung und das Gleichgewicht. Das ganze geschieht auf Anweisung des Großhirns, das für den nötigen „Input“ sorgt. Darüber, wie dieser „Input“ weiterverarbeitet und in Befehle, also „Output“, für den Bewegungsablauf umgewandelt wird, gibt es bisher nur Vermutungen, erläutert Prof. Dr. Reinhard Köster, vom Zoologischen Institut der TU Braunschweig. Zusammen mit seinem Mitarbeiter, Dr. Hideaki Matsui, ist es ihm nun gelungen, eines der vielen Rätsel um unser Kleinhirn zu entschlüsseln und einen Teil seiner Funktionsweise zu verstehen.

Um diesem Ziel näher zu kommen, haben die Braunschweiger Neurobiologen Larven des Zebrabärblings genauer untersucht. Die umgangssprachlich auch als Zebrafisch bezeichnete Karpfenart gilt wegen der genetischen Zugänglichkeit der Larven als besonders geeigneter Modellorganismus für die molekulare und physiologische Forschung in der Biologie. Zudem ermöglicht der beinahe transparente Körper der Fischlarven eine hochauflösende Mikroskopie-Analyse, ohne in den lebenden Organismus einzugreifen zu müssen. So können Nervenzellen bei ihrer Arbeit direkt beobachtet werden.

Spezifische Genaktivität in den Purkinjezellen

Für ihre Untersuchungen hatten die Braunschweiger Neurobiologen vor allem die sogenannten Purkinjezellen näher in den Blick genommen. Diese besonderen Nervenzellen, benannt nach ihrem Entdecker, dem tschechischen Physiologen Jan Evangelista Purkyně, sind sozusagen die „Schaltstellen“ des Kleinhirns. „In diesen Zellen haben wir ein Protein erzeugt, welches sich über die Synapsen hinweg, von Nervenzelle zu Nervenzelle, bewegt.“, erklärt Prof. Köster. Dieses Protein wurde anschließend mit einem Antikörper nachgewiesen. So konnten die Neurobiologen die „Leitungen“ identifizieren, die von den Purkinjezellen ausgehen und in andere Hirnregionen führen. „Wir konnten also die Kommunikationswege ausgehend von den Purkinjezellen im Kleinhirn aufdecken, und dies über mehrere Synapsen hinweg“, so Prof. Köster.

Kleinhirnzellen teilen sich die Arbeit
Die Braunschweiger Wissenschaftler machten bei ihrer Analyse eine spannende Entdeckung: „Dabei ist uns aufgefallen, dass das Kleinhirn in Regionen unterteilt ist, von denen jede Region mit einer anderen Struktur im Nervensystem kommuniziert.“, so der Neurobiologe. Um diese Vermutung zu überprüfen, entwickelten die Wissenschaftler ein Verfahren, bei dem das Abspielen von ausgewählten Filmen typische, sich wiederholende Bewegungen bei den Zebrafischlarven auslösten wie etwa Augen- oder Schwimmbewegungen. „Gleichzeitig konnten wir mit einem Mikroskop die Aktivität der Purkinjezellen im Kleinhirn verfolgen und sehen, dass tatsächlich nur bestimmte Regionen von Nervenzellen aktiv wurden, je nach Bewegungsart in einer anderen Region.“, so Prof. Köster.

Aufbau für das Verfahren zur Filmvorführung

Die Gegenprobe führten die Wissenschaftler ebenfalls mit Hilfe der Kombination von Licht und Genetik durch – der sogenannten Optogenetik einer neuen Technik, welche die Steuerung von Nervenzellen mit Lichtimpulsen erlaubt. So konnte durch kurzes Einstrahlen von Licht die Aktivität der Purkinjezellen für die Dauer der Lichteinstrahlung in kleinen ausgewählten Regionen gehemmt werden. Durch Einstrahlen von Licht in der linken Mitte des Kleinhirns ließen sich beispielsweise Schwimmbewegungen nach links und Schwimmbewegungen nach rechts durch Einstrahlen in der rechten Kleinhirnmitte unterbinden. Die Augenbewegungen wurden jedoch von Purkinjezellen in einer anderen Region weiter hinten im Kleinhirn kontrolliert, erläutert Prof. Köster.

„Wir freuen uns, dass der Nachweis der ‚Leitungen‘ sowie der einzelnen ‚Schaltstellen‘ im Kleinhirn gelungen ist und wir damit einen Beitrag zur Grundlagenforschung leisten konnten. Gerne möchten wir in künftigen Forschungsprojekten die Entstehung dieser Arbeitsteilung während der Entwicklung des Kleinhirns besser verstehen.“, fasst Prof. Reinhard Köster zusammen.

Zum Forschungsprojekt
Das Forschungsprojekt wurde von Dr. Hideaki Matsui unter Leitung von Prof. Dr. Reinhard Köster, Leiter der Abteilung Zelluläre und Molekulare Neurobiologie des Zoologischen Instituts der Technischen Universität Braunschweig durchgeführt und durch ein Stipendium der Alexander-von-Humboldt-Stiftung gefördert.

Publikation
Hideaki Matsui, Kazuhiko Namikawa, Andreas Babaryka, and Reinhard W. Köster (2014): Functional regionalization of the teleost cerebellum analyzed in vivo – PNAS.
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1403105111

Information für die Medien
Weiteres Bild und Videomaterial kann auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden.

Kontakt
Prof. Dr. Reinhard Köster
Abteilung Zelluläre und Molekulare Neurobiologie
Zoologisches Institut
Technische Universität Braunschweig
Spielmannstraße 7
38106 Braunschweig
Tel. 0531-391-3230
E-Mail: r.koester@tu-bs.de
http://www.zoologie.tu-bs.de/index.php/en/cellular-molecular-neurobiology