?Beyond standard assumptions on neutral excitability: when channels cooperate or capacitance varies“
Für seine Dissertation am Institut für Biologie wurde Paul Pfeiffer mit dem Humboldt-Preis 2023 ausgezeichnet.
Die Grundlage für eine effiziente Informationsverarbeitung im Gehirn ist der schnelle Austausch von elektrischen Signalen in einem hoch strukturierten Netzwerk von spezialisierten Nervenzellen. Ein umfassendes Verst?ndnis der elektrischen Erregbarkeit von Nervenzellen ist damit unabdingbar, um die beeindruckenden F?higkeiten von gesunden Gehirnen, aber auch die m?glichen Ursachen und Behandlungen von krankhaften Zust?nde zu erforschen. Darüber hinaus dienen Nervenzellen als Vorbild für Algorithmen moderner künstlicher Intelligenz und neuromorphische Mikrochips.
Die vorliegende Dissertation stellt zwei grundlegende, klassische Annahmen unserer Vorstellung über Nervenzellen infrage: 1) Zum einen, dass die in der Membran eingebetteten leitf?higen Ionenkan?le, auf denen die elektrische Aktivit?t von Nervenzellen beruht, unabh?ngig voneinander operieren und sich gegenseitig nicht beeinflussen. 2) Zum anderen, dass die Zellmembran gewisse konstante Eigenschaften hat und insbesondere auch die elektrische Kapazit?t der Membran konstant ist. Experimentelle Studien verschiedener Arbeitsgruppen lassen inzwischen Zweifel an diesen Dogmen der Neuronemodellierung aufkommen. Auch wenn das Abweichen von diesen Annahmen zun?chst technisch erscheinen mag, h?tte es gro?e Auswirkungen auf die? Dynamik von neuronalen Netzwerken im Gehirn, wie die vorliegende Arbeit aufzeigt. Der dabei verwendete Ansatz einer Beschreibung und Simulation der Nervenzellen im mathematischen Modell erweist sich dabei als besonders nützlich, da hier Fragen vom Typ ?Was w?re, wenn?” direkt gestellt werden k?nnen.
So wird im ersten Teil dieser Dissertation demonstriert, dass Ionenkan?le über kooperative? Interaktionen untereinander eine Nervenzelle mit einem zellul?ren Kurzzeitged?chtnis ausstatten k?nnen — eine wichtige Funktion, die ohne Kooperativit?t bisher schwer zu erkl?ren war (Pfeiffer et al., eLife, 2020). Kooperative Interaktion wirken dabei als selbstverst?rkende Rückkopplung, sodass eine kleine Gruppe von kooperierenden Kan?len sich auf einen Reiz hin selbst im offenen Zustand h?lt. Damit bleibt auch die gesamte Zelle lange nach einem Reiz aktiv — ein Mechanismus, um 金贝棋牌 vorübergehend in einzelnen Neuronen abzuspeichern, ohne dafür, wie sonst oft angenommen, ein ganzes Netzwerk von Nervenzellen zu ben?tigen.
Im zweiten Teil wird ein neues Stimulationsverfahren entwickelt, welches erstmals eine experimentelle Ver?nderung der Membrankapazit?t in biologischen Nervenzellen erm?glicht (Pfeiffer et al., eLife, 2022). ?ber direktes Feedback zwischen Computer und Nervenzelle wird die Spannungsdynamik "abgebremst" oder "beschleunigt", ununterscheidbar von einer wirklichen Ver?nderung der physikalischen Kapazit?t. Wie erste Versuche mit der Technik in Zusammenarbeit mit experimentellen Kooperationspartnern belegen, reguliert die Membrankapazit?t wichtige Aspekte neuronaler Informationsverarbeitung, zum Beispiel Aktivit?tsraten oder energetische Kosten elektrischer Signale.
Die in der Dissertation vorhergesagte Verhaltensweise kooperierender Ionenkan?le liefert somit eine neuartige Erkl?rung dafür, wie Nervenzellen das Kurzzeitged?chtnis erm?glichen .Au?erdem werden durch die hier entwickelte Technik neue Untersuchungen der Membrankapazit?t m?glich, so zum Beispiel ihrer m?glichen Rolle in Pathologien wie Multiple Sklerose.
Arbeitsgruppe: Prof. Susanne Schreiber (Website)?
Publikationen
Pfeiffer, P., Egorov, A.V., Lorenz, F., Schleimer, J.-H., Draguhn, A., Schreiber, S., 2020. Clusters of cooperative ion channels enable a membrane-potential-based mechanism for short-term memory. eLife 9, e49974. https://doi.org/10.7554/eLife.49974
Peng, Y., Barreda Tomas, F.J., Pfeiffer, P., Drangmeister, M., Schreiber, S., Vida, I., Geiger, J.R.P., 2021. Spatially structured inhibition defined by polarized parvalbumin interneuron axons promotes head direction tuning. Sci. Adv. 7, eabg4693. https://doi.org/10.1126/sciadv.abg4693
Pfeiffer, P., Barreda Tomás, F.J., Wu, J., Schleimer, J.-H., Vida, I., Schreiber, S., 2022. A dynamic clamp protocol to artificially modify cell capacitance. eLife 11, e75517. https://doi.org/10.7554/eLife.75517