Forschungsschwerpunkte.
Der Forschungsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe liegt darin zu verstehen, wie die funktionale Plastizität neurophysiologischer Prozesse im Zusammenspiel mit molekularen, zellulären Prozessen Im Nervensystem funktioniert und welchen Einfluss dies auf das Altern und neurodegenerative Erkrankungen hat.
Mit einem mehrdimensionalen, interdisziplinären experimentellen Set-Up und computer-basierten Auswertungen untersuchen wir sowohl Plastizitätsvorgänge in der elektro-chemischen Signalübertragung in komplexen neuronalen Netzwerken als auch Detailprozesse in der individuellen Nervenzelle.
Das ausgewachsene, adulte Gehirn verfügt über eine einzigartige Plastizität, die es sogar befähigt, neue Nervenzellen zu generieren und seine Funktion und Struktur zu modifizieren um ein lebenslanges Lernen zu ermöglichen. Das Gehirn passt sich dabei permanent an neue, tägliche Herausforderungen an.
Diese aktivitätsabhängige Plastizität kann rein funktional sein, die Nervenzellen verändern ihre elektrophysiologische Parameter wie die Erregungsfähigkeit. Sie kann aber auch auf molekularer Ebene stattfinden, wobei sich durch Veränderung der Genexpression die Bildung, Reifung und Stärke der synaptischen Verbindungen verändert.
- Aber wie sind funktionale und molekulare Prozesse verbunden?
- Was ist die Funktion neugebildeter Nervenzellen im Gehirn?
- Wie funktioniert die Integration neu-gebildeter Nervenzellen in das bereits vorhandene neuronale Netzwerk?
- Und für uns besonders wichtig: Wie kann das Gehirn neue Nervenzellen im Kontext des Alterns und der Neurodegeneration nutzen?
Das Ziel diese Fragen zu beantworten veranlasst uns dazu, möglichst viele morphologische, elektrophysische und Transkriptom-Daten eines einzelnen Neurons zu erheben, um davon ausgehend auf das gesamte neuronale Netzwerk und dessen Funktionsweise schließen zu können. Bisher fehlte es an übergreifender, multifunktionaler Technik, diese Daten zu generieren und auszuwerten. Unser Labor wird mit Hilfe neuester Methodik auf zellulärer, elektrophysiologischer, bildgebender Computer-basierter Ebene sich diesen drängenden Fragen stellen.
Projekte:
Unsere Forschungsthemen umfasst Projekte in folgenden Bereichen:
1. Neurogenese/Plastizitätsmodelle in der Neurodegeneration und Altern
Charakterisierung aktivitätsabhängiger Veränderungen (Gene, synapt. Aktivität) neugebildeter Nervenzellen bei der funktionalen Integration in neuronale Netzwerke von Erkrankungs- und Alterungsmodellen.
2. E/I Netzwerke zur Untersuchung von Stimulus-abhängiger elektrischer neuronaler Aktivität und synaptischer Stabilität in neuronalen Netzwerken
Wir untersuchen die Langzeitstabilität exzitatorischer (E) und Inhibitorischer Synapsen in neuronalen Netzwerken. Balancierte E/I-Netzwerke generieren stabile stimulus-abhängige elektrische neuronale Aktivität und eine hohe Informationsdichte.
3. Generierung eines Gehirns auf dem Chip
Wir generieren, testen und implementieren ein mit Flüssigkeiten perfundierbares CMOS-MEA System, das die Simulierung von Krankheitsmodellen und die Testung mit pharmakologischen Substanzen erlaubt.
4. Bottom-up Computermodelle
Mittels einem integrativem Ansatz generieren wir ein Computermodell um mehrdimensionale Auswertungen umfassend die Gesamtheit der plastischen Veränderungen untersuchen zu können.
5. Generierung einer biofunktionalen Plattform zur Untersuchung neuronaler Interaktionen
Wir entwickeln Biomaterialien um neuronale Netzwerke in klar definierten Konditionen hinsichtlich Ihrer zellulären Interkationen und der Interaktionen mit der extrazellulären Matrix untersuchen zu könne. Diese Methodenentwicklung soll auch eine verbesserte Registrierung der elektrischen neuronalen Aktivität ermöglichen.
Erkrankungen, auf die sich unsere Forschung fokussiert:
- Alzheimer Erkrankung (AD)
- Amyloid-beta Toxizität (Aβ)
- Parkinson Erkrankung (PD)
- Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)
Methoden:
- In-vitro HiPSC- neuronale Zellkulturen und ex-vivo transgene Gehirnschnitte der Maus
- High-resolution CMOS-MEAs
- Calcium imaging
- Patch-clamp recordings
- Genome-wide Transcriptome profiling
- Opto-and-chemogenetische Untersuchungen
- Molekulare und zellbiologische Techniken
- Micro-/nanotechnologien
- Computermodelle