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Wie funktioniert unser Gehirn? Diese Frage beschäftigt Wissenschafter seit Jahrhunderten. Forschende aus Graz, Tübingen und München haben nun anhand des Modellorganismus der Fruchtfliege () einen wichtigen Baustein entschlüsselt: Sie haben die räumliche Verteilung von röhrenförmig angeordneten Eiweißkomplexen, die in die Zellmembran eingelagert sind - sogenannte Ionenkanäle - lokalisiert und kartiert. Diese Kanäle sitzen an bestimmten Stellen in den Nervenzellen und steuern, wie elektrische Signale sich ausbreiten, summieren oder verändern. Mit der Verortung der räumlichen Verteilung der Ionenkanäle schließe sich eine Lücke zwischen der bisherigen Gehirnanatomie und der dynamischen neuronalen Informationsverarbeitung, teilte die Med Uni Graz mit.
Der Wissenschaftszweig der sogenannten Konnektomik beschäftigt sich mit den Verbindungen im Nervensystem und ihren Kontaktstellen, den Synapsen. Dieser anatomische "Schaltplan" erklärt aber noch nicht, wie sich elektrische Aktivität innerhalb einzelner Zellen konkret ausbreitet und verändert: "Zu wissen, wie Nervenzellen miteinander verdrahtet sind, ist essenziell, aber es ist nicht die ganze Geschichte", betonte der federführende Autor Lukas Groschner vom Lehrstuhl für Molekularbiologie und Biochemie der Med Uni Graz.
"Um zu verstehen, wie ein Netzwerk aus Nervenzellen rechnet, müssen wir wissen, wo genau in einer Zelle die molekularen Motoren - die Ionenkanäle - sitzen und was sie tun", so der Forscher weiter. Diese Lokalisation ist dem Team gelungen. "Indem wir einen Katalog der Verteilung und Funktion von Kanälen erstellen und diese Informationen in biophysikalische Modelle integrieren, können wir aktive neuronale Prozesse realistisch simulieren", so der Grazer Neurobiologe.
Das Team hat damit unter anderem ein Modell erstellt, das zeigt, wie die Ionenkanäle in den Nervenzellen der Fruchtfliege Bewegung erkennt. Es entdeckte einen konstanten Strom durch spezielle Natriumkanäle. Dieser Strom sorgt dafür, dass die Nervenzellen besonders empfindlich auf Bewegungsrichtungen reagieren können.
Laut der Med Uni Graz kommen die meisten der Ionenkanäle der Fruchtfliege in ähnlicher Form auch im Menschen vor und spielen bei neurologischen Erkrankungen und chronischen Schmerzen eine Rolle. Die neuen Erkenntnisse würden somit neue Wege für die Entwicklung von Arzneimitteln eröffnen können. Darüber hinaus könne die Forschung aber auch Inspiration für energieeffiziente Mikrochips bieten.
Lukas Groschner studierte Medizin an der Medizinischen Universität Graz und promovierte an der University of Oxford. Nach seiner Promotion wechselte er ans Max-Planck-Institut für Neurobiologie und forschte dort als Projektleiter an der Rechenleistung einzelner Nervenzellen. Seit Ende 2023 forscht er wieder in Graz und baut ein eigenes Labor - das Groschner-Lab - auf. Der Europäische Forschungsrat hat ihn 2024 mit einem ERC Starting Grant in der Höhe von rund 1,3 Millionen Euro ausgestattet.
(S E R V I C E - R. M. Vieira, M. Deistler, c. Guillemet, L. Groschner: "Distribution and voltage dependence of ion channels shape single-neuron computations", https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2610600123 )
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