Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

 
 
 
 
 
 
 
 

Wirkung elektrischer Felder auf selbstorganisierende Prozesse in neuronalen Modellsystemen

Das Gehirn gehört zu den erregbaren Systemen und besitzt eine ausgeprägte Eigendynamik, bestehend aus einem feinen Netzwerk von Glia-Zellen, die als Stützgerüst für die Neuronen dienen sowie für deren elektrische Isolation sorgen. Des Weiteren sind Glia-Zellen auch maßgeblich am Stoff- und Flüssigkeitstransport im Gehirn beteiligt und wirken in der Informationsverarbeitung und -weiterleitung mit [1]. Netzwerke von Glia-Zellen im Hippocampus können sich als erregbares Medium verhalten, dessen räumliche und zeitliche Signalwege durch neuronale Aktivitäten moduliert werden. [2]
Die Eigendynamik neuronaler Netzwerke besteht im Wesentlichen aus der Weiterleitung von Reizen und somit von Informationen, die mittels synaptischer Übertragung von elektrischen Signalen erfolgt. Aufgrund eines erhöhten Bedarfs an Informationsverarbeitung können Muster der Selbstorganisation im Gehirn entstehen. Dies sind beispielsweise kreis- oder spiralförmige Calciumwellen in Hirnschnitten [2,3]. Die Wellen können durch innere und äußere Stimuli bzw. der Struktur des erregbaren Mediums beeinflusst werden.
Durch eine lokale chemische oder elektrische Erregung von Hirnschnitten des Hippokampus kann sich beispielsweise eine propagierende Welle eines NAD(P)H-Signals entwickeln, die über das Gewebe propagiert sowie auch eine Änderung des pH-Wertes ausgelöst werden kann, welche sich wellenförmig ausbreitet [3]. Die Änderung des pH-Wertes konnte auch in Asterocyten im Cortex einer Ratte nachgewiesen werden [4]. Weiterhin ist es auch möglich, durch einen äußeren Einfluss, hier einem elektrischen Feld, die Migration von Neuronen zu steuern und somit auch deren Differenzierung. [5]

 

In diesem Forschungsprojekt ist geplant, die Wirkung elektrischer Felder auf selbstorganisierende Prozesse in neuronalen Modellsystemen zu untersuchen. Von besonderem Interesse ist dabei das Verhalten von Ionen innerhalb von Zellen, wenn diese einem äußerem Feld ausgesetzt sind. Dafür muss zunächst ein neuronales Modellsystem entwickelt werden. Es sollen zwei Möglichkeiten dieses Modellsystems in Betracht gezogen werden. Zum einen eine chemische Reaktion in einem Mikroreaktor, in dem sich der Katalysator der Reaktion in einer Membran befindet und somit die Mobilität des Katalysators unterdrückt wird. Der andere Ansatz für die Entwicklung des Modellsystems soll über Mikroemulsionen erfolgen, in denen die Mobilität bestimmter Reaktionsteilnehmer gesteuert werden kann.
Ist ein geeignetes Modellsystem gefunden, soll an diesem ein äußeres elektrisches Feld angelegt werden. Bei diesem Feld soll es sich zunächst um ein homogenes Gleichstromfeld handeln, aber ein zügiger Übergang zu einem inhomogenen Feld sowie zu einem Wechselfeld ist angestrebt. Wechselfelder sind dahingehend interessant, da sie der Realität in neuronalen Systemen näher kommen als Gleichstromfelder. Die Beobachtung des Modellsystems soll zunächst mit Hilfe eines Stereomikroskops erfolgen und später mit einem konfokalem Mikroskop.
Aus den aufgenommenen Daten sollen Effekte der Selbstorganisation im Medium aufgrund der Manipulation erkannt und analysiert werden sowie Rückschlüsse auf den Einfluss eines Feldes auf biologische Membranen und das Zellinnere gezogen werden.

 

[1] Cardona, A. E. and Ransohoff, R. M. Nature 468(7321), 253-265 (2010).
[2] Harris-White, M.E., Zanotti, S. A., Frautschy, S. A., and Charles, A. C. J. Neurophysiol. 79(2), 1045-1052 (1998).
[3] Luengviriya, J. Spatiotemporal metabolic organization during development of brain cell cultures. PhD thesis, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, (2009).
[4] Chesler, M., and Kraig, R. P. Am. J. Physiol. 253(4), R666-R670 (1987).
[5] Yao, L., Pandit, A., Yao, S., and McCaig, C. D. Tissue Eng. Part B 17(3), 143-153, (2011).

 

Letzte Änderung: 29.03.2016 - Ansprechpartner: Katja Guttmann
 
 
 
 
Instability of an autocatalytic front
Lehrstuhlleiter im Ruhestand
Prof. Dr. rer. nat. habil.
Stefan C. Müller

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