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Institut für Neurowissenschaften und Medizin
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Rezeptoren

Neurotransmitterrezeptoren und Transmitter sind Schlüsselmoleküle der Signalübertragung zwischen Neuronen und stellen die molekulare Basis für Struktur-Funktions-Beziehungen im Gehirn dar. Jedes Hirngebiet enthält Nervenzellen, die inhibitorische, exzitatorische und modulatorische Rezeptoren exprimieren. Unterschiede in den regionalen und laminären Verteilungsmustern eines einzelnen Rezeptortyps können durch quantitative in vitro Rezeptorautoradiographie analysiert werden.

Neurotransmitter-RezeptorenNeurotransmitter-Rezeptoren sind heterogen verteilt im menschlichen Gehirn.
Copyright: Modifiziert nach Palomero-Gallagher & Zilles (2018) Handb Clin Neurol 150: 355-387


Laminäre UnterschiedeLaminäre Unterschiede in den Rezeptordichten korrelieren mit synaptischen Dichten.
Copyright: Modifiziert nach Palomero-Gallagher & Zilles (2019) NeuroImage 197:716-741 und Zilles & Palomero-Gallagher (2017) Front Neuroanat 11:78.

Die Konzentrationen der verschiedenen Rezeptoren variieren zwischen den Rezeptortypen und den verschiedenen Hirnregionen um ein bis zwei Größenordnungen. Da zahlreiche Rezeptortypen an der Signaltransmission in einer Hirnregion beteiligt sind, ist unsere Arbeitshypothese, dass die Balance zwischen den Konzentrationen der verschiedenen Rezeptoren in einer Hirnregion (“Receptor Fingerprint”) von entscheidender Bedeutung für die Funktion dieser Hirnregion ist. Dies zeigen die unterschiedlichen “Receptor Fingerprints” zwischen Hirnregionen mit sensorischen, motorischen oder multimodalen assoziativen Funktionen. Da diese Funktionen durch zahlreiche, miteinander verbundene Hirnregionen ermöglicht werden und komplexe neural Systeme bilden, müssten die verschiedenen “Receptor Fingerprints” der Hirnregionen ihre hierarchische Organisationsprinzipien (primäre sensorische, höhere sensorische, multimodale Assoziationsregionen), unterschiedlichen Modalitäten (z.B. Sehen vs. Hören vs. Tasten) und ihre Bedeutung für “Resting State Systems” (z.B. Aufmerksamkeit, exekutive Funktion) widerspiegeln.

Receptor Fingerprints“Receptor Fingerprints” widerspiegeln die hierarchische Organisationsprinzipien des Gehirns.
Copyright: Modifiziert nach Palomero-Gallagher et al. (2009) Hum Brain Mapp 30: 2336-2355.

Bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen wie Epilepsie, hepatischer Encephalopathie, progressive supranukleäre Lähmung, Alzheimer’scher oder Parkinson’scher Erkrankung, finden wir charakteristische Veränderungen der Rezeptordichten und “Receptor Fingerprints”, die einen wichtigen Aspekt der Dysfunktion bei diesen Erkrankungen darstellen. Um die Mechanismen hinter den pathologischen Veränderungen im menschlichen Gehirn zu verstehen, analysieren wir “Receptor Fingerprints” in transgenen Tiermodellen menschlicher Erkrankungen und konditionalen Rezeptor-knock-out Tieren.

Neurologische ErkrankungenNeurologische Erkrankungen sind mit Veränderungen in der Dichte verschiedener Rezeptortypen verbunden.
Copyright: Copyright: Modifiziert nach Palomero-Gallagher et al. (2012) Epilepsia 53: 1987-1997 und Chiu et al. (2017) Alzheimer's Res Ther 9:28.

Wir analysieren auch die Zytoarchitektur, Konnektivität und regionalspezifische Expression von Rezeptoren in menschlichen und auch in nicht-menschlichen Primatengehirnen, um die Entwicklung kognitiver, motorischer und sensorischer Funktionen während der Gehirnentwicklung besser zu verstehen. Diese evolutionäre Perspektive ist ein entscheidender Aspekt, da die menschlichen Gehirnfunktionen, wie sie mit Hilfe psychologischer Paradigmen und funktioneller Bildgebungsstudien erfolgreich untersucht wurden, sich auf eine ausschließlich anthropozentrische Interpretation konzentrieren und nicht erklären, wie sich kognitive Funktionen durch Veränderungen der zugrunde liegenden Mikrostruktur und Kodierungsstrategien während der Evolution entwickelt haben.

Molekulare OrganisationEvolutionär konservierte Aspekte der molekularen Organisation des Gehirns.
Copyright: Modifiziert nach Zilles & Palomero-Gallagher (2017) In: Evolution of Nervous Systems; Elsevier, Oxford pp. 225-245.

Analysen der regionalen und laminären Verteilungen multipler Rezeptoren ermöglichen nicht nur eine Identifizierung und Kartierung kortikaler Areale und funktioneller Systeme auf molekularer Basis, sondern erweitern unser Verständnis der zugrunde liegenden strukturellen und funktionellen Organisationsprinzipien neuronaler Netzwerke. Daher ergänzen wir Rezeptoranalysen mit Untersuchungen der strukturellen und funktionellen Konnektivität (Connectom) durch diffusionsgewichtetes Imaging mit MRT, fMRT und ultra-hochauflösende, polarisationsmikroskopische Visualisierung von myelinisierten Fasern und Fasertrakten in vivo bzw. post mortem (Polarized Light Imaging) im Gehirn des Menschen, nicht-menschlicher Primaten und bei Rodentiern analysiert. Dieser multimodale Forschungsansatz erlaubt eine umfassende Analyse des Connectoms und die Erstellung eines multimodalen Hirnatlas (Architektonik und Hirnfunktion).

FaserarchitekturFaserarchitektur des menschlichen Hippocampus.
Copyright: Modifiziert nach Zeineh et al. (2017) Cereb Cortex 27: 1779-1794.


Multimodale KartierungMultimodale Kartierung des menschlichen Hippocampus.
Copyright: Modifiziert nach Palomero-Gallagher et al. (2020) Brain Struct Funct 225: 881-907.


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