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Prä-synaptische Patch-Clamp-Aufnahmen von kleinen ZNS-Boutons

​Um die präsynaptischen Mechanismen der chemischen synaptischen Übertragung zu untersuchen, führen wir Patch-Clamp-Ableitungen von präsynaptischen Nervenendigungen in akuten Hirnschnitten durch, darunter typische kleine Boutons im Neokortex (Ritzau-Jost et al, Cell Reports, 2021), dopaminerge Axone im Striatum (Liu et al., Science, 2022), Moosfaser-Boutons im Kleinhirn (Ritzau-Jost et al., Neuron, 2014) und Moosfaser-Boutons im Hippocampus (Hallermann et al., PNAS, 2003). Die Abbildung zeigt elektronenmikroskopische Aufnahmen der Spitze von Borosilikat- und Quarzglaspipetten (A) und eine Zwei-Photonen-Aufnahme einer gepaarten Ganzzell-Aufnahme vom Soma und Bouton eines Schicht-5-Pyramidalneurons (B; Maßstab 20 µm und 5 µm für den Inset; Ritzau-Jost et al., Cell Reports, 2021).​​

Gepaarte prä- und postsynaptische Ableitungen

Um die synaptische Übertragung mit einer Auflösung von weniger als einer Millisekunde zu untersuchen, haben wir gepaarte Ableitungen von Moosfaser-Boutons und postsynaptischen​ Körnerzellen des Kleinhirns durchgeführt. Dies ermöglicht die Kombination von präsynaptischen Kapazitätsmessungen und Dekonvolutionsmethoden.

Die Abbildung zeigt eine gepaarte prä- und postsynaptische Aufzeichnung (oben; magenta bzw. grün; Maßstabsbalken 10 µm) und die Überlagerung der Membrankapazität und der auf Dekonvolution basierenden kumulativen Vesikelfusionsrate (unten; Ritzau-Jost et al., Neuron, 2014).​



Hochauflösende quantitative Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung

Quantitative Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung mit verschiedenen Kalziumindikatoren wurde eingeführt, um die präsynaptische hochfrequente vesikuläre Freisetzung besser zu verstehen​ (Abbildung zeigt die präsynaptische Kalziumkonzentration während der 300-Hz-Übertragung; Delvendahl et al., PNAS, 2015).

Kapazitätsmessungen mit geringem Rauschen mit Quarzglaspipetten

Wir führen präsynaptische Kapazitätsmessungen mit Quarzglaspipetten durch, um die durch einzelne Aktionspotenziale in ZNS-Synapsen hervorgerufene Exo- und Endozytose aufzulösen (Abbildung zeigt​ den durch einzelne Aktionspotenziale hervorgerufenen Kapazitätstransienten nach pharmakologischer Blockade des Clathrin-vermittelten endozytischen Weges; Delvendahl et al., Neuron, 2016).​

Kalzium-Freisetzung

Wir kombinieren quantitative Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung mit Weitfeld-UV-Anregung, um die Kalziumempfindlichkeit der Vesikelfusion​ zu messen. Die Abbildung zeigt den Versuchsaufbau mit dem Lichtweg der Zwei-Photonen-Laser-Beleuchtung (rote Linie), der UV-Laser-Beleuchtung (blaue Linie), dem elektrophysiologischen Verstärker ("ephys."), den roten und grünen gate-fähigen Photomultiplier Tubes (PMTs) und der Infrarot-LED-Beleuchtung (graue Linie; Eshra et al., eLife, 2021).​

Dendritische Patch-Clamp-Aufnahmen

Um die dendritische Integration zu verstehen, verwenden wir Patch-Clamp-Aufnahmen von Dendriten zerebellärer Körnerzellen (siehe Abbildung; Delvendahl et al., Front Cell Neurosci, 2015) oder kortikaler Schicht-5-Pyramidalneuronen (Hallermann et al., Nat Neurosci, 2012).​

Modellierung von Synpasen und Zellen

Wir analysieren die Kalziumdiffusion, die Kalziumpufferung und die Vesikelfusion mit der CalC-Simulationsumgebung (web.njit.edu/~matveev​; Abbildung zeigt ein synaptisches Vesikel in grau und Kalziumkanäle in rot; Delvendahl et al., PNAS, 2015). Kanal-Gating und zelluläre Erregbarkeit werden mit Neuron (www.neuron.yale.edu; Hallermann et al., Nat Neurosci, 2012) simuliert. Quantale Kurzzeitplastizität ist in C++ implementiert (Hallermann et al., Neuron, 2010; Hallermann et al., J Neurosci, 2010).​

Spingende neuronale Netze

Um die Berechnung auf Netzwerkebene zu untersuchen, verwenden wir die neuronalen Netze der Integrations- und Feuerneuronen. Die Abbildung zeigt das neuronale Netzwerkmodell der Kleinhirnrinde beim Lernen einer zeitlichen Sequenz von Spiking (Straub et al., eLife, 2020).

Rauscharme Einzelkanalaufnahmen mit Quarzglaspipetten

Um rauscharme Einzelkanalströme aufzulösen, werden Quarzglaspipetten verwendet (Abbildung zeigt eine Öffnung eines nikotinischen Acetylcholinkanals mit einer Dauer von 10 µs; Hallermann et al., J Physiol, 2005).


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