Vorlesung 10

• In ihrem Artikel "Action potentials recorded from inside a nerve fibre", der im Jahr 1939 in der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht wurde, beschreiben Hodgkin und Huxley ihre experimentellen Arbeiten zur Aufzeichnung von Aktionspotentialen innerhalb eines Axons (Nervenfaser) der Tintenfischsehne.

• Kenneth C. Cole postulierte 1940, zusammen mit Howard J. Curtis, in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Electric Impulses in Mechanically Stimulated Nerves" in der Zeitschrift "Journal of General Physiology", dass eine mechanische Stimulation von Nerven zur Erzeugung von elektrischen Impulsen führen kann.

  In ihren Experimenten zeigten sie, dass mechanische Reize wie Druck oder Dehnung auf Nervenfasern zu Veränderungen des Membranpotenzials führen können, die ähnlich wie diejenigen sind, die durch elektrische Stimulation ausgelöst werden.

  Dieser Fundamentalergebnis trug zur Entdeckung von Rezeptoren bei, die auf mechanische Stimulationen ansprechen und zur Übertragung von Informationen durch Berührung, Druck und Schmerz führten.

• In ihrem Artikel "The effects of sodium ions on the electrical activity of the giant axon of the squid", der im Jahr 1952 in der Zeitschrift "Journal of Physiology" veröffentlicht wurde, beschreiben Hodgkin und Huxley ihre experimentellen Arbeiten zur Untersuchung der Rolle von Natriumionen bei der Entstehung und Übertragung von Aktionspotentialen im Axon der Tintenfischsehne.

  Sie zeigen, dass eine Zunahme der Konzentration von Natriumionen im extrazellulären Raum die Entstehung von Aktionspotentialen fördert, während eine Abnahme der Konzentration die Entstehung von Aktionspotentialen hemmt.

  Sie identifizierten auch spezialisierte Kanäle in der Zellmembran, die selektiv für Natriumionen durchlässig sind und nannten diese Kanäle "Natriumkanäle". Durch ihre Arbeit konnten sie somit das Konzept der Ionenkanäle und deren Rolle bei der Entstehung und Übertragung von Aktionspotentialen im Nervensystem etablieren.

"Gating particles" ist ein Begriff, den Hodgkin und Huxley in ihren Forschungen über die elektrische Aktivität von Neuronen verwendeten, insbesondere in Bezug auf die Aktivierung und Inaktivierung von Ionenkanälen in der Membran.

In ihren Experimenten entdeckten Hodgkin und Huxley, dass die Öffnung und Schließung von Ionenkanälen durch winzige Partikel oder "Gating-Teilchen" gesteuert wird, die an den Kanälen binden und sie öffnen oder schließen. Diese Partikel reagieren auf das Membranpotential und können entweder aktiviert oder inaktiviert werden, was die Permeabilität der Membran für Ionen beeinflusst und dadurch die elektrischen Eigenschaften der Zelle verändert.

Hodgkin und Huxley schlugen vor, dass die Aktivierung und Inaktivierung dieser Partikel durch spezifische Gleichungen beschrieben werden kann, die auf der physikalischen Chemie der Ionenkanäle basieren. Die Hodgkin-Huxley-Gleichung, die sie entwickelten, bezieht sich auf diese Gating-Teilchen und ihre dynamischen Veränderungen im Laufe der Zeit, um die Aktionspotentiale von Neuronen zu modellieren.

Die "Gating-Teilchen" von Hodgkin und Huxley, die sie in ihren Forschungen als Verantwortliche für die Aktivierung und Inaktivierung von Ionenkanälen identifiziert haben, sind heute als "Spannungsabhängige Ionenkanal-Untereinheiten" bekannt. Diese Untereinheiten bestehen aus Proteinen, die in der Membran von Nervenzellen eingebettet sind und spezifische Ionenkanäle bilden, die für den Transport von Ionen in und aus der Zelle verantwortlich sind.

Die Patch-Clamp-Technik ist eine Methode der Elektrophysiologie, die verwendet wird, um den Transport von Ionen durch einzelne Ionenkanäle in biologischen Membranen zu untersuchen. Die Technik beruht auf der Verwendung einer Mikroelektrode, die an eine Zelle angedockt wird und dann Ionenkanäle auf der Membran erkennt.

Im Detail funktioniert die Patch-Clamp-Technik wie folgt:

1. Eine Silberchlorid-Elektrode dient als Referenzelektrode, um das Membranpotential der Zelle zu messen. Die Elektrode besteht aus einer Silberdrahtspitze, die mit einer Schicht aus Silberchlorid überzogen ist, um eine hohe Leitfähigkeit und Stabilität zu gewährleisten. Die Elektrode wird dann mit einer leitenden Lösung gefüllt, die spezifische Ionen enthält. Zum Beispiel kann die Lösung Natrium-, Kalium- oder Calciumionen enthalten, je nachdem, welcher Ionenkanal untersucht werden soll.

2. Die Elektrode wird dann an die Zellmembran angedockt, so dass sie eine enge Verbindung mit der Membran bildet. Dadurch entsteht eine "Patch"-Verbindung zwischen der Elektrode und der Membran.

3. Wenn die Elektrode an die Zellmembran angedockt ist, kann die Patch-Clamp-Technik verwendet werden, um den Strom durch einzelne Ionenkanäle zu messen. Dazu wird eine Spannung an die Elektrode angelegt, die das Membranpotential der Zelle ändert.

4. Während dieser Spannungsaufzeichnung wird der Strom durch einzelne Ionenkanäle gemessen, indem die Spannung, die von der Elektrode erzeugt wird, mit einer Referenzspannung verglichen wird.

5. Durch diese Messungen kann man dann verschiedene Eigenschaften der Ionenkanäle bestimmen, wie z.B. ihre Leitfähigkeit, ihre Öffnungs- und Schließungszeiten oder ihre Reaktionszeiten auf verschiedene Reize.

Sakmann und Neher haben unabhängig voneinander Techniken entwickelt, um den Transport von Ionen durch einzelne Ionenkanäle in biologischen Membranen zu untersuchen. Mit ihrer Entdeckung waren sie in der Lage, die elektrischen Eigenschaften von Ionenkanälen in Zellmembranen zu untersuchen, was unser Verständnis der elektrophysiologischen Prozesse in Nervenzellen und anderen Zellen erheblich erweitert hat.

Sakmann und Neher entwickelten die sogenannte Patch-Clamp-Technik, die es ihnen ermöglichte, winzige Ionenkanäle in isolierten Zellen zu untersuchen. Mit dieser Technik konnten sie elektrische Signale von einzelnen Ionenkanälen aufzeichnen und die Aktivität von Ionenkanälen in Echtzeit verfolgen. Dadurch konnten sie auch die physiologischen Eigenschaften von Ionenkanälen und ihre Rolle bei verschiedenen Krankheiten und Störungen untersuchen.

In der Neurobiologie wird der OP-Amp (operational amplifier) häufig als Verstärker für die Aufzeichnung von neuronalen Aktionspotentialen oder der Membranpotentiale eingesetzt.

Das Signal, das von einer Zelle oder einem Neuron erzeugt wird, ist normalerweise sehr schwach und muss daher verstärkt werden, um es zu messen oder aufzuzeichnen. Der OP-Amp ist in der Lage, das Signal zu verstärken, ohne es signifikant zu verzerren oder das Rauschen zu erhöhen.

In der Neurobiologie wird der OP-Amp oft als Teil von Patch-Clamp-Setups verwendet, um das Membranpotential von Zellen oder Neuronen zu messen. Die Signale werden dann aufgezeichnet und können zur Analyse von neuronalen Prozessen und Signalübertragungen verwendet werden.

Das Membranpotential kann pharmakologisch moduliert werden, indem man spezifische Arzneimittel einsetzt, die auf Ionenkanäle, Transporter oder Rezeptoren wirken, die am Prozess der elektrischen Signalübertragung in der Zelle beteiligt sind. Hier sind einige Beispiele:

1. Blockade von Ionenkanälenn.

2. Aktivierung von Ionenkanälen

3. Hemmung von Transportern

4. Aktivierung von Rezeptoren

Es gibt mehrere Studien, die darauf hindeuten, dass eine niedrige Strahlendosis das Schicksal neuraler Stammzellen durch die Aktivierung von Kaliumkanälen beeinflussen kann. Konkret geht es um den sogenannten "G-Protein-gekoppelten Inwardly Rectifying Potassium" (GIRK) Kanal.

Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass eine niedrige Strahlendosis den GIRK-Kanal aktiviert, was dazu führt, dass K+ aus der Zelle in den Extrazellulärraum diffundiert. Dieser Kaliumausstrom führt dazu, dass sich das Membranpotential der neuralen Stammzellen hyperpolarisiert, was wiederum zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren führen kann, die die Expression von Genen regulieren, die an der Zelldifferenzierung beteiligt sind.

Einige Studien deuten darauf hin, dass eine Aktivierung des GIRK-Kanals durch eine niedrige Strahlendosis das Schicksal neuraler Stammzellen in Richtung der Differenzierung in Neuronen und Astrozyten beeinflussen kann, während es die Proliferation der Stammzellen verringert. Es wird vermutet, dass diese Effekte durch die Aktivierung von Signalwegen vermittelt werden, die mit der Kalzium- und/oder Phosphoinositid-Signalgebung in Verbindung stehen.

Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass diese Mechanismen noch nicht vollständig verstanden sind und dass weitere Forschung erforderlich ist, um die genauen Auswirkungen von niedrigen Strahlendosen auf das Schicksal neuraler Stammzellen zu verstehen.

Ein Multielectrode Array (MEA) ist ein elektronisches Gerät, das aus einer Anordnung von winzigen Elektroden besteht, die auf einer Oberfläche angeordnet sind. Es wird verwendet, um elektrische Signale von einer Vielzahl von Neuronen oder Zellen in vitro aufzuzeichnen.

Die Elektroden des MEA können auf eine Vielzahl von Arten hergestellt werden, z.B. durch Ätzen von Metallen auf einer Siliziumsubstratplatte, Aufbringen von leitfähigen Polymeren oder Beschichten von Glas oder Quarz mit leitfähigen Materialien. Die Elektroden haben typischerweise einen Durchmesser von wenigen Mikrometern und können in einem Gittermuster oder in einer anderen Anordnung angeordnet sein.

Ein MEA ermöglicht es Forschern, gleichzeitig Signale von vielen Neuronen oder Zellen aufzuzeichnen, was es zu einem wertvollen Werkzeug in der Neurowissenschaft macht. Es wird häufig verwendet, um die Funktion von neuronalen Netzen zu untersuchen, um pharmakologische Wirkstoffe auf ihre Wirkung auf Zellen und Neuronen zu testen, oder um die Effekte von genetischen Manipulationen zu analysieren.

Das deklarative Gedächtnis umfasst das Wissen um Fakten (semantisches Gedächtnis) und persönliche Ereignisse (episodisches Gedächtnis), das verbal abrufbar ist und bewusst erinnert wird. Es ist daher auch als explizites Gedächtnis bekannt.

Das nicht-deklarative Gedächtnis bezieht sich auf Gedächtnisinhalte, die nicht bewusst abrufbar sind und meist durch praktisches Handeln oder Erfahrung erworben werden. Dies umfasst zum Beispiel motorische Fähigkeiten, Gewohnheiten, emotionale Reaktionen und Konditionierungen. Nicht-deklarative Gedächtnisinhalte können durch Reiz-Reaktions-Assoziationen und unbewusstes Lernen erworben werden und sind daher auch als implizites Gedächtnis bekannt.

Die neurobiologischen Grundlagen des deklarativen Gedächtnisses liegen vor allem im Hippocampus und in seinen Verbindungen zu anderen Gehirnregionen wie dem entorhinalen Kortex, der Amygdala und der präfrontalen Rinde. Das nicht-deklarative Gedächtnis wird von einer Reihe von Gehirnregionen gesteuert, einschließlich des Striatums, des Kleinhirns und des sensorischen Kortex.

Insgesamt gibt es jedoch eine große Überlappung zwischen deklarativem und nicht-deklarativem Gedächtnis, und beide können zusammenarbeiten, um eine komplexe Handlung oder Erfahrung zu ermöglichen.

Bei Säugetieren befinden sich neuronale Stammzellen in spezifischen Regionen des Gehirns, wie zum Beispiel in der subventrikulären Zone (SVZ) und der subgranulären Zone (SGZ) des Hippocampus. In der SVZ können sie sich in Neuronen und Gliazellen differenzieren, während in der SGZ die Neuronenbildung stattfindet. Darüber hinaus können neuronale Stammzellen auch in anderen Teilen des Gehirns vorkommen, wie z.B. im Cortex oder in der Retina.

Place-Zellen sind spezielle Nervenzellen, die in bestimmten Bereichen des Hippocampus aktiv werden, wenn sich ein Tier an bestimmten Orten aufhält. Diese Zellen sind ein wichtiger Bestandteil des episodischen Gedächtnisses und spielen eine entscheidende Rolle bei der räumlichen Orientierung und dem Erinnern an vergangene Ereignisse.

Die Maus-neurale Stammzelllinie J1-NSCs (J1 neural stem cells) ist eine weit verbreitete Zelllinie, die aus Maus-Embryonen isoliert wurde. Diese Zellen haben das Potenzial, sich in verschiedene Zelltypen des zentralen Nervensystems zu differenzieren, einschließlich Neuronen, Astrozyten und Oligodendrozyten.

J1-NSCs haben sich als nützliches Modellsystem für die Untersuchung von Prozessen wie Zellproliferation, Zelldifferenzierung und Zellmigration erwiesen, insbesondere in Bezug auf neurodegenerative Erkrankungen und Regeneration. Sie wurden verwendet, um die Mechanismen der neuronalen Differenzierung zu untersuchen, einschließlich der Rolle von Transkriptionsfaktoren und Signalwegen wie Notch und Wnt. J1-NSCs wurden auch zur Untersuchung von Faktoren verwendet, die das Überleben von Neuronen beeinflussen, wie zum Beispiel neurotrophe Faktoren.