Neue Technik hilft, die „Aus-Schalter“ des Gehirns zu verfolgen

Seit Jahrzehnten untersuchen Wissenschaftler die komplexen Aktivitätsmuster im Gehirn von Menschen und Tieren, indem sie beobachten, wann sich verschiedene Gruppen von Gehirnzellen einschalten. Genauso wichtig für das Verständnis des Gehirns und damit verbundener Krankheiten ist es jedoch zu wissen, wie lange diese Neuronen aktiv bleiben und wann sie sich wieder abschalten.

Jetzt haben Wissenschaftler von Scripps Research eine neue Technologie entwickelt, mit der sie verfolgen können, wann Gehirnzellen nach einem Aktivitätsschub abschalten – ein Vorgang, der als Hemmung bezeichnet wird. Die Technik, veröffentlicht in Neuron am 23. Januar 2024 bietet eine neue Möglichkeit, nicht nur die normale Funktion des Gehirns zu untersuchen, sondern auch, wie die „Ausschalter“ des Gehirns bei normalem Verhalten sowie bei Krankheiten und Störungen, einschließlich Depressionen und posttraumatischem Stress, schief gehen können Störung und Alzheimer-Krankheit.

Es besteht allgemein Einigkeit darüber, dass die Hemmung von Neuronen tatsächlich die wichtigste Art und Weise ist, wie das Gehirn die Aktivität reguliert. Wissenschaftler haben nach einer Möglichkeit gesucht, die Hemmung auf eine besser nachvollziehbare Weise zu betrachten, und bis jetzt hatten nur wenige sie gefunden.“

Li Ye, Ph.D., leitender Autor, Professor und Abide-Vividion-Lehrstuhl bei Scripps Research

Um den neuen Ansatz voranzutreiben, arbeitete Ye mit John Yates zusammen, einem Professor für Molekulare Medizin bei Scripps Research. Sie wollten untersuchen, wie sich Gehirnzellen veränderten, wenn sie aktiv feuerten – also eine elektrische Ladung aussendeten, um Nachrichten an ihre Nachbarn weiterzuleiten – im Vergleich zu dem Zeitpunkt, als sie mit dem Schießen fertig waren. Die Wissenschaftler nutzten die Optogenetik, bei der die Zellaktivität mithilfe von Licht gesteuert werden kann, um die Zellen immer wieder zu aktivieren und zu hemmen. Anschließend maßen sie die Konzentrationen und Eigenschaften verschiedener Proteine ​​und ihrer Modifikationen. Sie stellten fest, dass ein Protein, die Pyruvatdehydrogenase (PDH), unmittelbar nach der Hemmung der Gehirnzellen sehr schnell verändert wurde.

„Wenn Neuronen feuern, braucht man viel Energie, und dieses PDH-Protein ist an der Produktion dieser Energie beteiligt“, erklärt Ye. „Aber das Gehirn möchte wirklich Energie sparen. Wenn also eine Zelle mit dem Feuern fertig ist, stellten wir fest, dass das Gehirn das PDH-Protein schnell abschaltet. Dies geschah viel schneller als alles andere, was wir bei der Genexpression gesehen haben.“

Um PDH auszuschalten, fügten die Forscher heraus, dass Zellen dem Protein molekulare Markierungen, sogenannte Phosphate, hinzufügen. Ye und seine Kollegen fanden Antikörper, die nur diese inaktive, phosphorylierte Form von PDH (pPDH) erkannten. Um zu testen, ob der Gehalt an phosphoryliertem PDH (oder pPDH) als Proxy für die Hemmung von Gehirnzellen verwendet werden kann, verwendete Yes Team diese Antikörper, um pPDH bei Mäusen zu messen, denen eine Anästhesie verabreicht worden war. Fast das gesamte Gehirn leuchtete mit hohen pPDH-Werten auf, was richtig zeigt, dass der größte Teil des Gehirns während der Narkose inaktiv ist.

Die Gruppe untersuchte auch den pPDH-Spiegel, wenn Tiere hellem Licht ausgesetzt wurden, das dann ausgeschaltet wurde. Gehirnzellen im visuellen Kortex, die für das Sehen verantwortlich sind, wiesen niedrige pPDH-Werte auf, wenn sie Licht ausgesetzt wurden (da die aktive Form von PDH erforderlich wäre, um diesen Zellen Signalenergie zu geben), aber hohe Werte an phosphoryliertem Protein stiegen unmittelbar nach dem Lichteinfall an war aus.

Yes Gruppe nutzte die neue Technik auch, um einen weniger verstandenen Prozess zu untersuchen: wie das Gehirn das Hungergefühl nach einer Mahlzeit ausschaltet. Sie zeigten, wie sich mit dem Appetit verbundene Gehirnzellen abschalten, wenn eine Maus zu fressen beginnt. Diese Ergebnisse könnten Auswirkungen auf ein besseres Verständnis von Appetit, Fettleibigkeit und einigen Medikamenten zur Gewichtsreduktion haben. Im weiteren Sinne könnten die pPDH-Antikörper verwendet werden, um das Ausmaß der Hemmung von Gehirnzellen bei gesunden Menschen und Menschen mit einer Vielzahl von Gehirn- und Stoffwechselerkrankungen zu vergleichen.

„Es gibt viele Fragen, bei deren Beantwortung uns diese Technologie helfen kann“, sagt Ye. „Was passiert, wenn das Gehirn Zellen nicht ausschalten kann oder wenn sie schneller oder langsamer als gewöhnlich ausgeschaltet werden? Welche Rolle spielt die Hemmung von Neuronen bei verschiedenen Krankheiten?“

Ye und seine Kollegen optimieren weiterhin die Verwendung von pPDH, sagen jedoch, dass andere Forscher die Technologie bereits nutzen – die zur Messung von pPDH verwendeten Antikörper sind im Handel erhältlich.

Zu den Autoren der Studie „Phosphorylation of pyruvate dehydrogenase inverse assoziiert mit neuronaler Aktivität“ gehören neben Ye und Yates auch Dong Yang, Yu Wang, Tianbo Qi, Xi Zhang, Leyao Shen, Jingrui Ma, Zhengyuan Pang und Neeraj K. Lal , Daniel B. McClatchy, Saba Heydari Seradj, Verina H. Leung, Kristina Wang, Yi Xie, Filip S. Polli, Anton Maximov, Hollis T. Cline und Vineet Augustine von Scripps Research; und Oscar Christian Gonzalez und Luis de Lecea von der Stanford University.

Diese Arbeit wurde durch Mittel der National Institutes of Health (DP2DK128800) und der BRAIN Initiative/NIMH (MH132570) sowie durch den Dorris Scholar Award unterstützt.