Arbeitsgruppe Prof. Dr. Dr. Markus Morawski

Der Einfluss perineuronaler Netze auf die Aggregation und Ausbreitung des Tauproteins in der Alzheimerschen Erkrankung​​

Neurodegenerative Erkrankungen, zu denen als bedeutendste die Alzheimersche Erkrankung (AD) zählt, sind gekennzeichnet durch ein distinktes Muster in Bezug auf den räumlichen und zeitlichen Verlauf histopathologischer Marker. Die AD ist pathologisch durch die Ablagerung von β-Amyloid-Plaques sowie neurofibrillärer Tangles, welche aus nicht-physiologischem, hyperphosphoryliertem Tauprotein bestehen, charakterisiert.

Die Ausbreitung dieser neurofibrillären Tangles steht im direkten Zusammenhang zur neuronalen Dysfunktion und den zerebralen Abbauerscheinungen, die während des pathologischen Verlaufs der AD auftreten. Während die für die AD charakteristischen pathologischen Veränderungen im frühen Krankheitsstadium lediglich in bestimmten Hirnarealen auftreten, kommt es im weiteren Verlauf der Erkrankung zu einer systematischen Ausbreitung in verschiedene Hirnareale. Darüber hinaus kann nicht nur eine selektive Ausbreitung in bestimmten Hirnregionen beobachtet werden, es konnte bereits gezeigt werden, dass nur bestimmte Neuronengruppen von der Krankheit betroffen sind. Dementsprechend weisen Neuronengruppen, welche von einem Aggrekan-basierten perineuronalen Netz (PN) umgeben sind, in der Regel keine neurofibrillären Tangles oder andere Anzeichen von Neurodegeneration der AD auf. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen, welche zu einer verringerten Schadanfälligkeit netztragender Neuronen führen, müssen jedoch noch detailliert aufgeklärt werden. Dabei könnten die verschiedenen Komponenten der PNs selbst oder intrazelluläre Faktoren eine essentielle Rolle einnehmen.

Ziel des Projektes ist es, die potentiellen neuroprotektiven Eigenschaften der PNs im Zusammenhang mit den neurodegenerativen Prozessen während der AD zu untersuchen.​

Arbeitsgruppe

• Sophie Schmidt
• Prof. Dr. Dr. Markus Morawski
• Dr. Mandy Sonntag
• PD Dr. Max Holzer​​​

Förderung

ESF-Landesinnovationspromotionsstipendium - Sophie Schmidt​

Ein umfassendes mikrostrukturelles Connectom des menschlichen Gehirns (COMIC): Von langen Nervenfasern zu kurzen Assoziationsfasern

In diesem von der DFG finanzierten Projekt werden leitende Wissenschaftler und ihre Teams aus drei verschiedenen Institutionen (MPI-CBS, UKE, PFI) eng zusammenarbeiten, um Modelle, Methoden und Techniken zu entwickeln, um eine bessere Karte des menschlichen mikrostrukturellen Konnektoms zu erstellen.​

Dieses interdisziplinäre Projekt kombiniert drei Arbeitspakete, um Informationen aus der in vivo- und ex vivo-MRT mit fortschrittlicher Histologie zu integrieren und ein lebenslanges umfassendes mikrostrukturelles Konnektom zu generieren. Im ersten Arbeitspaket (WP1) wird ein neuroanatomisches Konnektom aus kurzen Assoziationsfasern mittels ex vivo-Histologie konstruiert. Im zweiten Arbeitspaket (WP2) werden neuartige biophysikalische Modelle für kurze Assoziationsfasern entwickelt. Im dritten Arbeitspaket (WP3) wird ein umfassendes menschliches mikrostrukturelles Konnektom über die gesamte Lebensspanne eines Erwachsenen generiert​

Hintergrund

Der menschliche Neokortex ist in spezialisierten Regionen organisiert, die in synchronisierte Netzwerke integriert sind, die durch Assoziationsfasern mit langer und kurzer Reichweite verbunden sind. Die mikrostrukturelle Zusammensetzung der Fasern optimiert die Kommunikationsgeschwindigkeit innerhalb der physikalischen Stoffwechselgrenzen. Diese Verbindungen, ihre mikrostrukturellen Eigenschaften (z.B. Axondurchmesser und ihre Myelinisierung) und ihre Wechselwirkungen können als mikrostrukturelles Konnektom zusammengefasst werden. Die meisten aktuellen Schätzungen des menschlichen Strukturkonnektoms basieren auf diffusionsgewichteter Magnetresonanztomographie (DWI) und leiden unter Unvollständigkeit und methodenbezogenen Verzerrungen. Insbesondere kurze Assoziationsverbindungen, die in "small world" ähnlichen Hirnnetzwerken eine zentrale Rolle spielen, sind unterrepräsentiert. In der ersten Förderperiode haben wir ein menschliches mikrostrukturelles Konnektom generiert, indem wir mikrostrukturelle Informationen entlang der Langstreckenfasern projiziert haben. Die kurzen kortiko-kortikale Verbindungen (einschließlich U-Fasern) sind jedoch in aktuellen Konnektomen unterrepräsentiert. 

Ziel

In diesem Projekt werden wir das umfassendste mikrostrukturelle Konnektom des Menschen über die gesamte Lebensspanne eines Erwachsenen hinweg generieren, indem wir zusätzlich die kurzen kortiko-kortikalen Fasern und ihre mikrostrukturellen Eigenschaften einbeziehen.

Methoden​

Zu diesem Zweck werden wir einen leistungsstarken multidisziplinären Ansatz verwenden, der auf drei Säulen basiert (Abbildung). Die erste Säule (WP1) untersucht die mikrostrukturelle Zusammensetzung, Länge und Form von kurzen Assoziationsfasern mithilfe einer fortschrittlichen ex vivo Histologie mit hochauflösender Bildgebung in großem Maßstab in zwei spezifischen Hirnnetzwerken, dem visuellen und dem sensorisch-motorischen System. Die zweite Säule (WP2) bietet Deep-Learning-Tools, mit denen mikrostrukturelle Informationen (z. B. Verteilung von Axondurchmessern oder axonalen g-Verhältnissen) aus hochauflösenden Mikroskopbildern in großem Maßstab (WP1) quantifiziert werden können. Darüber hinaus werden biophysikalische Modelle (WP2) entwickelt, die durch die oben genannten quantifizierten histologischen mikrostrukturellen Informationen validiert und informiert werden. Schließlich werden robuste Methoden zur Traktographie von Kurz- und Langstreckenfasern implementiert, die auf in vivo und ex vivo MRT basieren. Die letzte Säule (WP3) verwendet die neu entwickelten Methoden, um mikrostrukturelle Informationen über kurz- und langstreckigen Fasern aus der in vivo MRT innerhalb einer Kohorte gesunder Probanden über die gesamte Lebensspanne eines Erwachsenen hinweg zuverlässig abzuschätzen.​

Einfluss

Dadurch entsteht ein umfassendes Konnektom über die gesamte Lebensspanne, das zum ersten Mal sowohl kurzkortiko-kortikale als auch langreichweitige Verbindungen zusammen mit ihren mikrostrukturellen Informationen enthält. Zusätzlich werden intrakortikale mikrostrukturelle Maßnahmen abgeleitet und integriert, die auf etablierten kortikalen Myelin- und Eisenkartierungsansätzen basieren.​

Arbeitsgruppe

• Prof. Dr. Dr. Markus Morawski
• Henriette Rusch
• Katja Reimann​

Kooperationen

• Dr. Evgeniya Kirilina Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Leipzig
• Prof. Dr. Nikolaus Weiskopf Max-Planck-Institut für Koginitions- und Neurowissenschaften Leipzig
• Dr. Siawoosh Mohammadi Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Zentrum für Experimentelle Medizin, Institut für Systemische Neurowissenschaften Hamburg​

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft SPP 2041 - Computational Connectomics

Einfluss der Extrazellulären Matrix auf die Pathogenese der Dystonie und Dyskinesie​

Dystonien werden den Dyskinesien zugeordnet und stellen neben Morbus Parkinson und essentiellem Tremor die dritthäufigste Bewegungsstörung beim Menschen dar. Sie sind definiert als ein neurologisches Syndrom, das durch anhaltende unwillkürliche Muskelkontraktionen zu schraubenartigen Bewegungen und abnormen Körperhaltungen führt (Fahn et al., 1987). Wiederholtes Ausüben bestimmter Bewegungen kann die Symptomatik, die mit einer erhöhten Muskelaktivierung einhergeht, hervorrufen und verstärken.

Aufgrund der klinischen und ätiologischen Heterogenität werden Dystonien oft fehldiagnostiziert oder erst sehr spät erkannt. Die Therapie erfolgt in der Regel rein empirisch, ist jedoch meist nicht ausreichend wirksam, weshalb die Erkrankung häufig zu schweren Behinderungen führt. Kürzlich konnte ein Zusammenhang zwischen dem EPS (episodic falling syndrome), einer schweren paroxysmalen Bewegungsstörung, und einer das BCAN-Gen betreffenden Mikrodeletion festgestellt werden (Gill et al., 2012). BCAN codiert für das Proteoglycan Brevican, ein Bestandteil der neuronalen Extrazellulären Matrix (EZM). Innerhalb der perineuronalen Netze (PNN), einer spezialisierten Form der EZM, spielt Brevican eine wesentliche Rolle. Die PNN sind hauptsächlich aus dem Polyzucker Hyaluronsäure, den Chondroitinsulfat-Proteoglycanen (CSPGs wie Aggrecan, Brevican und Neurocan), Link-Proteinen und Tenascin-R aufgebaut und bilden insgesamt einen die Neuronen umgebenden Komplex.

Es ist bekannt, dass diese Extrazelluläre Matrix der Perineuronalen Netzte in Verbindung zu GABAergen Projektionsneuronen der Basalganglien, und  insbesondere zu einer Untergruppe inhibitorisch wirkender Interneurone des Striatums steht (Brückner et al., 2008; Brauer et al., 1995). Anhand von Studien am Menschen und verschiedenen Tiermodellen lassen sich in der abgeschwächten Hemmung durch striatale Parvalbumin-positive Interneurone Auswirkungen auf Erkrankungen der Basalganglien, wie der Dystonie, vermuten (Richter und Richter, 2014). Die dtsz Hamstermutante, ein phänotypisches Modell der paroxysmalen dystonen Choreoathetose (paroxysmale Dystonie) weist eine altersabhängige Reduktion der Parvalbumin-positiven Interneurone auf (Hamann et al., 2007). Interessanterweise steht der Mangel an striatalen Interneuronen in zeitlichem Zusammenhang mit der maximalen Ausprägung der Dystonie Symptome, ca. um den 30. Tag Lebenstag, was des Weiteren genau dem Zeitpunkt der vollständigen Reifung der Perineuronalen Netze entspricht (Avchalumov et al., Morawski et al., 2014).

Schwerpunkt dieses Projektes wird sein, die Beziehung zwischen den neuronalen Extrazellulär Matrix Proteinen der Perineuronalen Netze und der Pathogenese der Dystonie und Dyskinesie näher zu untersuchen. Für die Charakterisierung der räumlich-zeitlichen Verteilung und Expression der neuronalen ECM in Bezug auf das Auftreten der paroxysmalen Dystonie in der dtsz Hamstermutante werden etablierte immunhistochemische Marker und biochemische Proteinanalysen genutzt.​

Arbeitsgruppe

• Prof. Dr. Dr. Markus Morawski
• Katja Reimann​

Kooperationen

Prof. Dr. Angelika Richter, Institut für Pharmakologie, Pharmazie und Toxikologie der Veterinärmedizinischen Fakultät, Universität Leipzig​

Die Extrazelluläre Matrix der perineuronalen Netze im auditorischen System: von der Struktur zur Funktion​

Das zentrale Nervensystem (ZNS) besteht hauptsächlich aus zwei Zelltypen, Neuronen und Gliazellen. Dennoch wird ca. 20 % des ZNS Volumen von der extrazellulären Matrix (EZM) gebildet, welche aus spezifischen Makromolekülen besteht, die den Extrazellularraum ausfüllen und an der zellulären und strukturellen Organisation des ZNS beteiligt sind. Eine besondere Form der EZM sind die perineuronalen Netze (PNs), welche das Soma, die Dendriten und das Axoninitialsegment bestimmter Neuronen des ZNS umschließen.

PNs bestehen hauptsächlich aus Chondroitinsulfat-Proteoglykanen, wie z.B. Aggrekan, Brevikan und Neurokan. Diese Proteoglykane sind stark negativ geladen und erzeugen dadurch ein stark anionisches Milieu in der unmittelbaren Umgebung der Neuronen. Die Funktion der PNs ist noch nicht vollständig geklärt, aber man geht davon aus, dass sie u.a. zur Stabilisierung synaptischer Kontakte beitragen und einen Einfluss auf die neuronale Aktivität bzw. die synaptische Übertragung haben, z.B. durch die Bindung physiologisch-relevanter Ionen wie Kalium, Natrium und Kalzium. Dazu liegt bisher jedoch kein experimenteller Beweis vor.

Das auditorische System (insbesondere die Kerne des auditorischen Hirnstamms) steht im Fokus unserer Untersuchungen, da es eine sehr hohe Dichte an netztragenden Neuronen aufweist. Überraschenderweise wurden die Neuronen des auditorischen Systems noch nie für Untersuchungen zur Funktion der PNs in Betracht gezogen (Sonntag et al., 2015).

Unsere Forschung befasst sich mit einer detaillierten immunhistochemischen und histologischen Analyse der Struktur und des Aufbau der PNs im auditorischen System (i) des Menschen im Vergleich zu Maus und (ii) in Tierarten mit speziell angepasstem Hörvermögen (einschließlich dem nahezu tauben Blindmull und dem Infraschall-hörenden Elefanten). Anhand dieser Daten sollen mögliche Anpassungen der PN Struktur in Abhängigkeit von der Anatomie der Hörbahn und des entsprechenden Hörvermögens untersucht werden. Zusätzlich nutzen wir elektrophysiologische, biochemische, elektronenmikroskopische und molekularbiologische Techniken um die Funktion der PNs im auditorischen System zu untersuchen. Von besonderem Interesse ist (iii) die Rolle der PNs bei Entwicklungsprozessen und (iv) deren Einfluss auf die neuronale Aktivität und synaptische Übertragung. Für diese Untersuchungen stehen uns verschiedene transgene Mauslinien (Aggrekan knockout, Brevikan knockout, Neurokan knockout) zur Verfügung.

Der Komplex der oberen Olive (SOC) im auditorischen Hirnstamm der Maus (links) und des Blindmulls (Spalax ehrenbergi, rechts). Die Anatomie dieses Kernkomplexes unterscheidet sich zwischen beiden Tierarten. Es lassen sich jedoch in allen Kerngebieten des SOC, einschließlich der lateralen und medialen oberen Olive (LSO und MSO), dem medialen und lateralen Kern des Trapezkörpers (MNTB und LNTB) sowie dem oberen paraolivären Kern (SPON) perineuronale Netze anhand eines Aggrekan-spezifischen Antikörpers nachweisen.​

Arbeitsgruppe

• Prof. Dr. Dr. Markus Morawski
• Katja Reimann
• Dr. Gudrun Seeger
• Dr. Mandy Sonntag
• Sophie Schmidt
• Henriette Rusch​

Kooperationen

• Schwerpunktprogramm (SPP) 1608 - Ultrafast and temporally precise information processing: Normal and dysfunctional hearing
• Professor Dr. Johannes Seeger, Veterinaranatomisches Institut der Veterinärmedizinischen Fakultät, Universität Leipzig
• Russell T. Matthews (PhD), Upstate Medical University, Syracuse USA
• Professor Dr. Constanze Seidenbecher, Leibnitz Institut für Neurobiologie, Magdeburg

Förderung

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) SPP 1608
• Promotionsstipendium der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig (Luise Weinrich)

​

Quantifizierung und subzelluläre Lokalisation von Eisen in der Substantia nigra bei Morbus Parkinson​

Eisen ist als Spurenelement für den Zellmetabolismus essentiell. Im Gehirn spielt es beispielsweise eine Rolle bei der Dopaminsynthese und ist unerlässlich für die Myelinisierung. Freies Eisen jedoch hat auch eine zelltoxische Wirkung, da es durch seine Redoxfähigkeit in der Lage ist, via der Fenton-Haber Weiss Reaktion zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies beizutragen. Aus diesem Grund spielt Eisen eine Schlüsselrolle bei neurodegenerativen Erkrankungen.

Bei Morbus Parkinson ist die Konzentration an freiem Eisen in der Substantia nigra pars compacta (SNpc) deutlich erhöht. Obwohl der systemische Eisenstoffwechsel genau erforscht ist, liegen bisher nur wenige Erkenntnisse über die zelluläre Eisenverteilung und die quantitative Eisenkonzentration in den verschiedenen Zelltypen des Gehirns (Neuronen, Mikroglia, Astroglia, Oligodendroglia [Myelin]) vor.

Im Rahmen des Projektes wird humanes Hirngewebe von Patienten mit M. Parkinson und altersentsprechenden Kontrollen im Bereich des Nigrosom 1 (SNpc) zunächst mit immunhistochemischen Methoden gefärbt (Antikörper gegen Neurone, Mikroglia, Astroglia, Oligodendroglia  und Myelin mit Nickel Diaminobenzidin (Ni-DAB) Verstärkung).

Zum semiquanitativen Eisennachweis kommen zusätzlich histochemische Methoden wie die Perls- sowie Turnbull-Färbung zur Anwendung, um nicht-chelatiertes freies Eisen (Fe2+ und Fe3+) zu visualisieren. Weiterhin werden die Präparate auf eine Übereinstimmung zellulärer und subzellulärer Marker getestet (Ferritin - Mikroglia, Astroglia, Oligodendroglia).

Kernstück des Projektes stellt die quantitative Elementanalyse (Eisen) mittels Ionenstrahlmikroskopie (PIXE, Particle Induced X-Ray emission) dar. Hierzu kann das hochreine Nickel in Kombination mit dem eingesetzten Antikörper (AK) als ein vielseitiger Marker für die gewünschte Struktur von Interesse genutzt werden. Mit der PIXE -Methode erscheint das an der AK-Kette gebundene Nickel als Orientierungshilfe im Element-Map. Die Kombination aus Immunhistochemie mit DAB-Nickel-Verstärkung und PIXE ermöglicht so die spezifische Untersuchung von Zelltypen sowie subzellulären  Strukturen. Mithilfe einer geeigneten Software (XRUMP, GEOPIXE II)  lässt sich für die jeweilige Region von Interesse anschließend die genaue Elementkonzentration bestimmen.​

​Arbeitsgruppe

• Prof. Dr. Dr. Markus Morawski
• Katja Reimann
• Prof. Dr. Thomas Arendt​

Kooperationen

• Prof. Dr. med. Wolf C. Müller, Abteilung für Neuropathologie, Department für Diagnostik, Universitätsklinikum Leipzig
• Prof. Dr. Jan Mejer, Fakultät für Physik und Geowissenschaften, Institut für Experimentelle Physik II, Abteilung Nukleare Festkörperphysik, Universität Leipzig
• Prof. Dr. Nikolaus Weiskopf / Dr. Evgeniya Kirilina, Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig
• Prof. Dr. med. Joseph Claßen, Klinik für Neurologie, Universität Leipzig​

Förderung

Promotionsstipendium der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig

Mikrostrukturelle Konnektivität des menschlichen Gehirns: Computergestützte Modellierung und Validierung mit Histologie und CLARITY​

Nur etwa 10% der Axone im Zentralnervensystem sind lange Faserbahnen. Ihre Anordnung, Länge und Mikrostruktur ist jedoch von großer Bedeutung für die funktionelle Organisation, da diese Parameter die Informationsausbreitung im Gehirn bestimmen. Vor allem ein Parameter ist von großer Bedeutung für die Leitungsgeschwindigkeit in einem Netzwerk: die g-Ratio, das Verhältnis von Durchmesser eines Axons zu Durchmesser von Axon und Myelinscheide. Bislang ist auf diffusionsgewichteter Magnetresonanztomographie (dMRT) basierende Traktographie die einzige Möglichkeit, lange Faserbahnen im lebenden Gehirn (in vivo) strukturell darzustellen.

Außerdem ist die Beziehung zwischen Diffusionsrichtung und Verlaufsrichtung der Fasern ein schlecht dargestelltes mathematisches Problem: Traktographiealgorithmen können Fasern falsch rekonstruieren und anatomisch falsch-positive Resultate erzielen. Zur Lösung dieses Problems wurde eine neue Methode vorgeschlagen: Mikrostruktur-informierten Traktographie (MIT), eine neue computergestützte Theorie, welche mit dMRT berechnete Faserverbindungen mit ihren mikrostrukturellen Eigenschaften (z.B. Durchmesser oder Dichte von Axonen) in Beziehung setzt. Die Methode ist jedoch stark fehlerbehaftet: (i) MIT verwendet biophysikalische Modelle, die bislang vergeblich versuchen, das Problem der Beziehung zwischen makroskopischem MRT-Signal und mikroskopischen Gewebeeigenschaften zu lösen, (ii) MIT benötigt einen großen Signal-Rausch-Abstand mit geringer räumlicher Auflösung und als Folge einer Zunahme der Anzahl der Voxel mit unklarer Faserrichtung, (iii) MIT basiert auf der fragwürdigen anatomischen Hypothese, dass zwei benachbarte Faserbahnen bezüglich ihrer Architektur innerhalb der Bahn geringere Variabilität aufweisen als zwischen den Bahnen. In diesem interdisziplinären Antrag planen wir (i) die Entwicklung einer neuen MIT-Theorie mit multimodaler MRT von bislang unerreichter räumlicher Auflösung (660 Mikrometer) zur Verbesserung der Modellabschätzung des menschlichen strukturellen Konnektoms und seiner mikrostrukturellen Metrik (Myelindichte, Axondichte, g-Ratio und Axondurchmesser), (ii) den Aufbau einer neuartigen ex vivo-Histologie mit kombinierter Ultramikrotomie und CLARITY zur Validierung, (iii) die Zusammenführung von Histologie und MRT zur Validierung des Modells an zentralen Kreuzungspunkten langer Faserbahnen im Netzwerk der Willkürmotorik des Menschen. Durch die Kombination von multimodalen biophysikalischen Modellen, fortschrittlicher MRT-Technologie (die deutschlandweit einzigartige Kombination eines CONNECTOM- und 7T-MRT-Systems) und neuen histologischen Techniken erwarten wir einen Paradigmenwechsel im Bereich MRT-gestützter Computermodelle für in vivo Traktographie im menschlichen Gehirn.

Arbeitsgruppe

• Prof. Dr. Dr. Markus Morawski
• Henriette Rusch​
• Katja Reimann​

Kooperationen

• Dr. Alfred Anwander Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Leipzig
• PD Dr. Stefan Geyer Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften Leipzig
• Dr. Siawoosh Mohammadi Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Zentrum für Experimentelle Medizin, Institut für Systemische Neurowissenschaften Hamburg

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft SPP 2041 – Computational Connectomics