Optogenetische Aktuatoren

Stimulierung und Hemmung der neuronalen Signalübertragung durch lichtgesteuerte Kanäle und Pumpen. Wir verwenden optogenetische Aktuatoren auf der Basis von Channelrhodopsin und Anionchannelrhodopsin, um neuronale Netzwerke auf der Ebene einzelner Zellen mit hoher Flexibilität in räumlichen und zeitlichen Protokollen zu manipulieren. Um den Nutzen der optogenetischen Aktoren zu erweitern, erforschen wir Markierungsbereiche, die eine subzelluläre Ausrichtung der Aktoren ermöglichen und ihren Einsatz in anderen Zelltypen, wie z. B. Epithelien, erlauben (Abb. 1).

Spezifität der Stimulation

Selbst wenn die Methode der Stimulation auf ein einzelnes Neuron abzielt, kann sie eine Netzwerkreaktion unterschiedlichen Ausmaßes und unterschiedlicher Dauer hervorrufen. So kann beispielsweise eine einzelne mechanische Stimulation eines einzelnen Neurons die Signalübertragung in Zellen beeinflussen, die Hunderte von Mikrometern entfernt sind, und die Netzwerkaktivität für Minuten verändern. Die extrazelluläre elektrische Stimulation ist schnell, steht jedoch vor der Herausforderung, dass Neuriten das erzeugte Feld durchqueren. Wir vergleichen diese Methoden mit der optogenetischen Einzelzellstimulation, um die Stimulationsmodi für gewünschte Aktivitätsmuster zu optimieren.

Identifizierung und Manipulation von Schlüsselneuronen

Nicht alle Neuronen in einem Netzwerk haben die gleiche Fähigkeit, die Signalübertragung im Netzwerk zu beeinflussen. Wir arbeiten daran, diese wichtigen Einflussfaktoren zu identifizieren und herauszufinden, wie verschiedene Arten der Manipulation auf der Ebene der einzelnen Zelle die Signalübertragung im Netzwerk verändern können. Dies wird die effizientesten Methoden zur Korrektur abweichender Netzwerkaktivitäten (wie bei Krankheiten oder Verletzungen) oder zur Programmierung von Informationen in das Netzwerk (wie beim biomimetischen Computing) liefern (Abb. 2).

Ehemalige Mitglieder

Devran Dardanoglu, intern until 08/2023

Bogdana Cepkenovic, Doctoral researcher until 04/2023

Ruoyan Wei , Doctoral researcher until 12/2022

Jiali Wang , Doctoral researcher until 12/2022

Cole Wilson, Fulbright Fellow until 07/2022

Dominik Brinkmann, Doctoral researcher until 12/2021

Timm Hondrich, Doctoral Researcher until 09/2020

Lucas Bertram, Master Student until 12/2019

Jana Schieren, Master Student until 03/2019

Irina Tihaa, Doctoral Researcher until 06/2018

Annika Graeve, Bachelor Student until 03/2018

Sarah Roßbiegalle, Bachelor Student until 02/2018

Wenfang Li, Doctoral researcher until 03/2017

Lei Jin, Doctoral Researcher until 07/2016

Aktuelle Veröffentlichungen

Wang, J., Platz‐Baudin, E., Noetzel, E., Offenhäusser, A., & Maybeck, V. (2024). Expressing Optogenetic Actuators Fused to N‐terminal Mucin Motifs Delivers Targets to Specific Subcellular Compartments in Polarized Cells. Advanced Biology, 8(3). https://doi.org/10.1002/adbi.202300428

Cepkenovic, B., Friedland, F., Noetzel, E., Maybeck, V., & Offenhäusser, A. (2023). Single-neuron mechanical perturbation evokes calcium plateaus that excite and modulate the network. Scientific Reports, 13(1), 20669. https://doi.org/10.1038/s41598-023-47090-z

Kempmann, A., Gensch, T., Offenhäusser, A., Tihaa, I., Maybeck, V., Balfanz, S., & Baumann, A. (2022). The Functional Characterization of GCaMP3.0 Variants Specifically Targeted to Subcellular Domains. International Journal of Molecular Sciences, 23(12). https://doi.org/10.3390/ijms23126593

Shokoohimehr, P., Cepkenovic, B., Milos, F., Bednár, J., Hassani, H., Maybeck, V., & Offenhäusser, A. (2022). High‐Aspect‐Ratio Nanoelectrodes Enable Long‐Term Recordings of Neuronal Signals with Subthreshold Resolution. Small, 2200053. https://doi.org/10.1002/smll.202200053

Improvements of Microcontact Printing for Micropatterned Cell Growth by Contrast Enhancement, Hondrich et al., Micromachines 2019, 10, 659; doi:10.3390/mi10100659, https://www.mdpi.com/2072-666X/10/10/659

How to image cell adhesion on soft polymers? Seyock et al., Micron 2017, http://dx.doi.org/10.1016/j.micron.2016.11.002

Controlled Engineering of Oxide Surfaces for Bioelectronics Applications Using Organic Mixed Monolayers, Markov et al., ACS Applied Materials and Interfaces 2017 10.1021/acsami.7b08481,  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b08481

High-efficiency transduction and specific expression of ChR2opt for optogenetic manipulation of primary cortical neurons mediated by recombinant adeno-associated viruses, Jin  et al., J Biotechnol,2016, 233:171–80, https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.07.001

An evaluation of extracellular MEA versus optogenetic stimulation of cortical neurons

Maybeck et al., Biomed Phys Eng Express, 2016, 2:055017, https://doi.org/10.1088/2057-1976/2/5/055017