Plastizitätsmodelle für Altern und Neurodegeneration
Dr. Hayder Amin
Gruppenleiter
Tatzberg 41
01307 Dresden

hayder.amin@dzne.de
 +49 351 210 463-602

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.

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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

 

Schlüsselpublikationen

Amin H, Dipalo M, De Angelis F, Berdondini L. Biofunctionalized 3D nanopillar arrays fostering cell-guidance and promoting synapse stability and neuronal activity in networks. ACS Appl Mater Interfaces. 2018 Jan 01; 1-9 doi: 10.1021/acsami.8b00387
Amin H, Marinaro F, Tonelli DDP, Berdondini L. Developmental excitatory-to-inhibitory GABA-polarity switch is disrupted in 22q11.2 deletion syndrome: A potential target for clinical therapeutics. Sci Rep. 2017 Jan 01; 7:1-18. doi: 10.1038/s41598-017-15793-9
Amin H, Nieus T, Lonardoni D, Maccione A, Berdondini L. High-resolution bioelectrical imaging of Aβ-induced network dysfunction on CMOS-MEAs for neurotoxicity and rescue studies. Sci Rep. 2017 Jan 01; 7:2460. doi: 10.1038/s41598-017-02635-x
Amin H, Maccione A, Marinaro F, Zordan S, Nieus T, Berdondini L. Electrical responses and spontaneous activity of human iPS-derived neuronal networks characterized for 3-month culture with 4096-electrode arrays. Front Neurosci. 2016 Jan 01; 10:1-15. doi: 10.3389/fnins.2016.00121
Amin H, Maccione A, Zordan S, Nieus T, Berdondini L. High-density MEAs reveal lognormal firing patterns in neuronal networks for short and long term recordings. IEEE. 2015 Jan 01; :1000-1003. doi: 10.1109/NER.2015.7146795

Info-Hotline

Donnerstags 13.30-16.30 Uhr

Für Patienten 0800-7799001

(kostenlos)

Für Ärzte 01803-779900

(9 Cent/Min. dt. Festnetz, mobil evtl. teurer)