Forschung
St?rungen im Serotoninhaushalt
Es ist schon seit langer Zeit bekannt, dass St?rungen im Serotoninhaushalt eine Ursache für verschiedene Erkrankungen, wie Angst, Depression oder Erkrankungen mit beeintr?chtigter Entscheidungsfindung sein k?nnen. Speziell die 5-HT1 Autorezeptoren, serotonerge G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), welche die Ausschüttung von Serotonin (5-HT) regulieren, sind für den Serotoninhaushalt entscheidend.
Diese Autoregulation des serotonergen Systems steht besonders im Fokus unserer Arbeitsgruppe, da vermutlich Ver?nderungen innerhalb dieser intrazellul?ren Signalkaskaden für unterschiedlichste psychiatrische Erkrankungen verantwortlich sind. Interessanterweise gibt es diese GPCRs auch auf nicht serotonergen Neuronen (Heteroregulation) des zentralen Nervensystems (ZNS), wo ihre Aktivierung verschiedene Auswirkungen haben kann. Es ist jedoch unklar, in welchem Ma?e auch die Heterorezeptoren Einfluss auf Angsterkrankungen, Depressionen, Ged?chtnisdefizite sowie Entscheidungsfindung nehmen.
Unsere Forschung
Bislang konnten diese intrazellul?ren Signalwege des serotonergen Systems in den verschiedenen Krankheiten nicht gezielt untersucht werden, da die M?glichkeit fehlte, sie mit hoher zeitlicher und r?umlicher Kinetik anzuschalten. Abhilfe schafft hier eine neue Methode: die Optogenetik. Diese Methode basiert auf der Idee, die Aktivit?t und Signalwege innerhalb des ZNS mit Licht zu modulieren. Die Optogenetik hat bereits viele Bereiche der neurowissenschaftlichen Forschung revolutioniert.
In diesem Zusammenhang machen wir uns nun verschiedene Opsine zu Nutze, um spezifisch mit hoher zeitlicher und r?umlicher Aufl?sung intrazellul?re Signalwege über Licht zu modulieren.
Mit Hilfe molekularbiologischer Methoden haben wir lichtaktivierbare serotonerge (5-HT1) Rezeptorchim?ren entwickelt, die die gleichen intrazellul?ren Signalwege wie die nativen Rezeptoren anschalten. Gemeinsame oder unabh?ngige Stimulation der Rezeptorchim?ren innerhalb und au?erhalb des serotonergen Systems wird von uns verwendet, um verschiedene Verhaltensmuster von wildtypischen M?usen oder verschiedensten Cre-Mauslinien zu untersuchen. Wir wollen mit diesen neuen optogenetischen Werkzeugen verstehen, inwieweit serotonerge Signalwege am Ursprung und der Entwicklung von Angsterkrankungen, Depressionen, Entscheidungsfindung sowie Ged?chtnisst?rungen beteiligt sind. Unsere Grundlagenforschung soll langfristig dazu beitragen, neue therapeutische Ans?tze für die Behandlung von verschiedenen neuronalen Erkrankungen zu entwickeln.
Zus?tzlich zur Forschung im Tiermodell Maus arbeiten wir mit molekular biologischen Methoden um weitere nützliche Werkzeuge für die Untersuchung des serotonergen Systems zu entwickeln, wie beispielsweise einen Serotonin Sensor.
Aktuelle Forschungsschwerpunkte
St?rungen im Serotoninhaushalt k?nnen eine Ursache für verschiedene Erkrankungen, wie Angst und Depressionen sein. Speziell die 5-HT1 Autorezeptoren, serotonerge G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), welche die Ausschüttung von Serotonin (5-HT) regulieren, sind für den Serotoninhaushalt entscheidend. Diese Autoregulation des serotonergen Systems interessiert uns besonders, da vermutlich Ver?nderungen innerhalb dieser Signalkaskaden für unterschiedlichste psychiatrische Erkrankungen verantwortlich sind.
Interessanterweise gibt es diese GPCRs auch auf nicht serotonergen Neuronen (Heteroregulation) des zentralen Nervensystems (ZNS), wo ihre Aktivierung verschiedene Auswirkungen haben kann. Es ist jedoch unklar, in welchem Ma?e auch die Heterorezeptoren Einfluss auf Angsterkrankungen und Depressionen nehmen. Bislang konnten diese intrazellul?ren Signalwege nicht gezielt untersucht werden, da die M?glichkeit fehlte, sie mit hoher zeitlicher und r?umlicher Kinetik anzuschalten. Abhilfe schafft hier eine neue Methode der Optogenetik.
Für eine bessere Erforschung des serotonergen Systems insbesondere im Hinblick auf Angstst?rungen und Depression wird in unserer Gruppe auch an molekularen Werkzeugen geforscht, welche neue M?glichkeiten der Untersuchung bieten sollen. Eines dieser Werkzeuge ist ein genetisch encodierter Fluoreszenzsensor, der die Ausschüttung und Bindung von Serotonin zwischen Synapsen und bei Volumetransmission darstellen kann.
Eine ?nderung der Fluoreszenzintensit?t zeigt hierbei die Bindung von Serotonin an. Mit Hilfe eines solchen Sensors m?chten wir verstehen, inwieweit Unterschiede in der Serotoninausschüttung für die Entstehung und Manifestation von Angst und Depressionen verantwortlich sind. Letztlich m?chten wir erstmalig in Echtzeit und in vivo die Ausschüttung von Serotonin visualisieren, um zu erforschen ob St?rungen innerhalb des serotonergen Systems tats?chlich urs?chlich für viele psychischen Erkrankungen ist. Wir hoffen mit unserer Grundlagenforschung einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung neuer Wirkstoffe und Medikamente zu leisten.
Depressionen und Angstst?rungen geh?ren zu den h?ufigsten Erkrankungen weltweit. Mehr als 300 Millionen Menschen sind von einer Depression betroffen. Trotz jahrzehntelanger Forschung sind die genauen Mechanismen, die zur Ausbildung und Manifestation dieser Erkrankungen führen, nicht verstanden. Seit 1954 ist bekannt, dass der Neurotransmitter Serotonin ma?geblich beteiligt an der Pathophysiologie von Depressionen und verwandte Erkrankungen ist (Freis 1954). Durch gezielte optogenetische Manipulation des serotonergen Systems untersuchen wir die molekularen Mechanismen dieser Erkrankung sowohl auf Zellebene als auch im wachen Tier.
Einer unserer Forschungsschwerpunkte ist es den Zusammenhang zwischen Serotonin und Entscheidungsprozessen besser zu verstehen. Entscheidungsprozesse sind keine einheitlichen Vorg?nge, sondern basieren auf unterschiedlichsten Prozessen wie kognitive Flexibilit?t (Homberg, 2012), impulsives Verhalten (Hinson, Jameson, & Whitney, 2003) sowie riskante Entscheidungsfindung (Pittaras et al., 2013). Es wurde gezeigt, dass Dysbalancen im Serotoninhaushalt einen Einfluss auf das Treffen von Entscheidungen haben (Pittaras et al., 2013), jedoch sind die genauen Mechanismen, durch die Serotonin auf die Entscheidungsfindung wirkt, nicht vollst?ndig verstanden. Schwerpunkt unserer Forschung ist es die serotonergen Mechanismen im medialen pr?frontalen Kortex (mPFC), welcher einer der wichtigsten Hirnregionen ist, der bei Entscheidungsprozessen eingebunden ist, zu untersuchen (St. Onge & Floresco, 2010). Unter anderem verwenden wir für unsere Forschung den ?mouse gambling task“, ein Verhaltensversuch zur riskanten Entscheidungsfindung von M?usen.
Unsere Wahrnehmung basiert auf zwei Prozessen, der Integration sensorischer Informationen und deren kognitiven Repr?sentation. Beide Prozesse sind in hohem Ma?e beeinflusst von unserem affektiven Zustand. Der Hippocampus ist der Ort, an dem kognitive Repr?sentationen unserer Umwelt geformt und gespeichert werden. Die F?higkeit und Effektivit?t diese Repr?sentationen speichern und abrufen zu k?nnen ist durch den affektiven Zustand, also durch Gemütserregungen, Aufmerksamkeit und Stimmung reguliert. Das serotonerge System steht in Verbindung mit dieser Regulation. Serotonin hat einen gro?en Einfluss auf viele Emotionen wie z.B. Angst, und es ist bereits bekannt, dass es ebenfalls die Speicherung des Ged?chtnisses im Hippocampus beeinflusst. Um zu verstehen wie genau dieser Einfluss aussieht muss ein grundlegendes Verst?ndnis dafür geschaffen werden, wie die serotonerge Signalweiterleitung w?hrend der Ged?chtnisspeicherung funktioniert, und wie Ver?nderungen in der Signalweiterleitung das Ged?chtnis beziehungsweise den Hippocampus beeinflussen. Um den Einfluss von Serotonin auf die hippocampale Informationsweiterleitung und deren neuromodulatorischer Kontrolle zu untersuchen verwenden wir optogenetische und elektrophysiologische Experimente, sowie die mikroskopische Untersuchung des Ca2+-Signals bei verschiedenen Manipulationen in vivo und in vitro im Modell Maus.