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Signalübertragung im Gehirn

Über 50 Milliarden Nervenzellen bilden unser Gehirn. Zwischen diesen Nervenzellen herrscht ein reger Austausch von Informationen: Sinneseindrücke werden empfangen, kognitive und emotionale Vorgänge koordiniert, verarbeitet, Eindrücke gespeichert, Befehle gegeben. Das setzt hochkomplexe Informationsstrategien und -wege voraus. In Jülich untersuchen Forscher molekulare Strukturen und Botenstoffe, die in diesem Informationsnetzwerk entscheidend sind. Sie wollen verstehen, wie ein gesundes Gehirn arbeitet, mit diesem Wissen krankhafte Veränderungen frühzeitig erkennen und Therapien entwickeln.

Eine Technik dabei ist die Molekulare Bildgebung ("Molekulares Imaging"). Sie macht charakteristische Moleküle und ihre Funktion sichtbar, etwa mit Hilfe der Positronenemissionstomografie (PET), der Rezeptorautoradiographie und der in situ Hybridisierung. Jülicher Forscher nutzen diese Technik zum Beispiel für die Untersuchung der Funktion von Botenstoffen wie Adenosin, Serotonin und Dopamin. Diese spielen eine essenzielle Rolle bei der Signalübertragung zwischen Nervenzellen, denn sie transportieren Informationen von Zelle zu Zelle. Ein Ergebnis aus dieser Forschung sind neue Erkenntnisse zur Entstehung von Müdigkeit und der Wirkweise von Koffein. Dieses Wissen kann unter anderem dazu beitragen, Schlafstörungen gezielter zu behandeln.

Die Anlaufstelle für die Botenstoffe an den Nervenzellen sind sogenannte Transmitterrezeptoren komplexe Eiweißmoleküle, die in der äußeren Hülle von Nervenzellen sitzen. Sie sind ein grundlegender Bestandteil der Signalübertragung im Zentralnervensystem und spielen daher auch eine wichtige Rolle bei vielen neurologischen und psychiatrischen Krankheiten. Ihre Häufigkeit und ihre Verteilung können frühzeitig auf Erkrankungen wie Parkinson, Multiple Sklerose, Demenzen oder Depressionen hinweisen. Durch Molekulares Imaging sind Jülicher Wissenschaftler bereits einem Marker für die Frühdiagnose von Schizophrenie auf der Spur: Er könnte ein Anzeichen für die Erkrankung sein, noch bevor klinische Symptome auftreten.

Nicht nur chemische Prozesse und einzelne Moleküle bestimmen die Signalübertragung: Transmitterrezeptoren und Botenstoffe sind wiederum nur Teile der Kontaktstellen der Nervenzellen nach außen, den Synapsen. Bis zu 15.000 Synapsen kann eine Nervenzelle besitzen: alle spezialisierte, hochkomplexe architektonische Meisterwerke. Denn trotz gleicher Bauelemente unterscheiden sich Synapsen gewaltig. Größe und Form variieren, aber auch die Anzahl, Größe und Verteilung der aktiven Zonen, in denen sie Botenstoffe freisetzen, sowie Größe und Organisation der Vorratslager für Botenstoffe. Jülicher Forscher untersuchen auf der Basis von Ultradünnschnitten des Gehirns strukturelle, funktionelle und molekulare Unterschiede dieser Synapsen und erstellen virtuelle, dreidimensionale Modelle davon.

Und was passiert mit den Signalen im Inneren einer Nervenzelle? Wie verarbeiten diese Zellen eingehende Signale, und wie leiten sie sie weiter? Die Funktion dieser Schaltkreise ist ebenfalls ein Thema der Jülicher Wissenschaftler. Mit Hilfe von Tiermodellen nähern sie sich dem wesentlich komplexer aufgebauten menschlichen Gehirn. Dabei untersuchen sie sowohl die Signalverarbeitung in einzelnen Nervenzellen als auch die Struktur und Funktion von Nervenzellverbänden sowie deren Modulation und Entwicklung.


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