Dezember 1, 2022

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Forscher visualisieren die komplexen Verästelungen des Nervensystems

Zusammenfassung: Die Studie enthüllt den molekularen Mechanismus, der es neuronalen Netzwerken ermöglicht, zu wachsen und sich zu verzweigen.

Quelle: Jale

Unser Nervensystem besteht aus Milliarden von Neuronen, die über Axone und Dendriten miteinander kommunizieren. Während sich das menschliche Gehirn entwickelt, verzweigen sich diese Strukturen auf eine wunderschön komplexe, aber kaum verstandene Weise, die es den Neuronen ermöglicht, Verbindungen herzustellen und Nachrichten durch den Körper zu senden. Und jetzt haben Yale-Forscher den molekularen Mechanismus hinter dem Wachstum dieses komplexen Systems entdeckt.

Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Wissenschaftlicher Fortschritt.

„Neuronen sind stark verzweigte Zellen, und das liegt daran, dass jedes Neuron mit Tausenden anderer Neuronen verbunden ist“, sagt Joe Howard, Ph.D., Eugene Higgins-Professor für molekulare Biophysik und Biochemie und Professor für Physik und Senior Researcher. Studienforscher.

„Wir arbeiten an diesem Verzweigungsprozess – wie entstehen und wachsen Äste? Das steckt hinter der ganzen Funktionsweise des Nervensystems.“

Das Team untersuchte das Wachstum von Neuronen in Fruchtfliegen, während sie vom Embryo zur Larve heranreiften. Um diesen Vorgang sichtbar zu machen, markierten sie Neuronen mit fluoreszierenden Markern und bildeten sie auf einem rotierenden Scheibenmikroskop ab. Denn Nervenzellen befinden sich direkt unter der Haut [outermost layer]Diesen Prozess konnten die Forscher in Echtzeit an lebenden Larven verfolgen.

Nach der Abbildung von Neuronen in verschiedenen Entwicklungsstadien war das Team in der Lage, Zeitrafferfilme des Wachstums zu erstellen.

Komplexe und sehr variable dendritische Dendriten entstehen aus der stochastischen Dynamik dendritischer Spitzen. Dieses projizierte Bild mit maximaler Intensität ist basierend auf dem Intensitätswert falsch gefärbt. Bildnachweis: Howard Lab

In den frühen Stadien der Entwicklung begannen sensorische Neuronen mit nur einem oder drei Dendriten. Aber in weniger als fünf Tagen hatten sie sich zu großen baumartigen Strukturen mit Tausenden von Zweigen entwickelt.

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Die Analyse der dendritischen Spitzen offenbarte ihr dynamisches und stochastisches (zufällig ausgewähltes) Wachstum, das zwischen Wachstum, Kontraktion und pausierten Zuständen schwankte.

https://www.youtube.com/watch?v=fO0yh6DNEek

Bildnachweis: Rob Foreman

„Vor unserer Studie gab es eine Theorie, dass sich Neuronen wie ein Ballon ausdehnen und zusammenziehen könnten“, sagt Sonal Shree, PhD, Forschungswissenschaftler und Hauptautor der Studie. „Und wir haben festgestellt, dass sie sich nicht wie ein Ballon aufblasen, sondern wachsen und sich verzweigen.“

„Wir stellen fest, dass wir das neuronale Wachstum und die allgemeine Morphologie ziemlich gut mit dem erklären können, was die Zellenden tun“, sagt Sabyasachi Sutradhar, PhD, Forschungswissenschaftler und Mitautor der Studie.

„Das bedeutet, dass wir uns jetzt auf die Spitzen konzentrieren können, denn wenn wir verstehen, wie sie funktionieren, können wir verstehen, wie die gesamte Form der Zelle aussieht“, sagt Howard.

In der Biologie gibt es eine ganze Reihe von Verzweigungen, von den Venen und Arterien des Kreislaufsystems bis zu den Bronchiolen der Lunge. Howards Labor hofft, dass ein besseres Verständnis der Verzweigung auf zellulärer Ebene auch Aufschluss über diese Prozesse auf molekularer und Gewebeebene geben wird.

Über diese Forschung in Neuroscience News

Autor: Isabella Bachmann
Quelle: Jale
Kontakt: Isabella Bachmann – Yale
Bild: Foto gutgeschrieben an Howard Lab

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Die dynamische Instabilität von Dendritenspitzen erzeugt die stark verzweigten Formen von sensorischen NeuronenVon Sonal Shri et al. Wissenschaftlicher Fortschritt

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Zusammenfassung

Die dynamische Instabilität von Dendritenspitzen erzeugt die stark verzweigten Formen von sensorischen Neuronen

Die hochkomplexen Dorne neuraler Dendriten liefern das Substrat für die höhere Konnektivität und Rechenleistung des Gehirns. Eine veränderte dendritische Morphologie ist mit neurodegenerativen Erkrankungen assoziiert.

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Es wurde gezeigt, dass mehrere Moleküle eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung und Aufrechterhaltung der Dendritenmorphologie spielen. Die Grundprinzipien, nach denen molekulare Wechselwirkungen verzweigte Formen erzeugen, sind jedoch kaum verstanden.

Um diese Prinzipien zu veranschaulichen, visualisierten wir das Wachstum von Dendriten während der Larvenentwicklung Fruchtfliege sensorische Neuronen und fanden heraus, dass die Spitzen von Dendriten einer dynamischen Instabilität unterliegen und schnell und zufällig zwischen Wachstum, Kontraktion und Pausen wechseln.

Durch die Integration dieser gemessenen Dynamik in ein Proxy-basiertes Computermodell haben wir gezeigt, dass die komplexen und hochgradig variablen Morphologien dieser Zellen eine Folge der stochastischen Dynamik ihrer Dendritenspitzen sind.

Diese Prinzipien können auf die Verzweigung anderer Arten von Neuronen sowie auf die Verzweigung auf der Ebene von Zellen und Geweben verallgemeinert werden.