Forschung
Neuroanatomie des Rückenmarks
Die Nutzung verschiedener Methoden zur Färbung spezifischer Teile des zentralen Nervensystems von Wirbeltieren ermöglicht es uns die Neuroanatomie und die Verbindungen zwischen einzelnen Kerngebieten von Gehirn und Rückenmark darzustellen und zu untersuchen. Im gezeigten Bild wurden die ventralen, sowie dorsalen Wurzeln des Rückenmarks einer Klapperschlange mit speziellen, sogenannten “neuronalen Tracern” gefärbt. In grün zu sehen sind im gezeigten Bild die Endigungen sensorischer Nervenfaser, während in Motoneurone, welche die Muskeln steuern, in magenta zu sehen sind.
Organisation pektoraler Motoneurone im Rückenmark
Injektionen neuronaler Farbstoffe in bestimmte Muskeln die an der Steuerung der Vorderflossen beteiligt sind können genutzt werden um Motoneurone die diese Muskeln steuern sichtbar zu machen. In Kombination mit der Untersuchung der elektrophysiologischen Eigenschaften der Motoneurone erlaubt dies wichtige Einblicke in die Anatomie und Organisation von Gruppen pektoraler Motoneurone im Rückenmark. Solche Daten können wichtige Informationen zu den Organisationsprinzipien neuronaler Netzwerke (hier im speziellen der Motoneurone) im Rückenmark liefern, die der gezielten Ansteuerung spezifischer Muskeln durch das zentrale Nervensystem unterliegen.
µCT and MRT Bildgebung zur Darstellung muskuloskelettaler Systeme von Fischen
Die Infrastruktur der Universität Graz bietet die Möglichkeit verschiedenste Gewebetypen sowohl Mittels mikro-Computertomographie (µCT), als auch mittels Magnetresonanztomographie (MRT) zu scannen. Die Kombination aus µCT und MRT Aufnahmen erlaubt eine detaillierte Darstellung des muskuloskeletalen Systems von Fischen. Ungefärbte Präparate dienen zunächst zur Darstellung des Skeletts mittel µCT. Durch die Inkubation des Präparates in sogenannter Lugolscher Lösung lagert sich Iod in das Gewebe ein, welches zur Kontrastverschärfung im µCT dient und eine Darstellung auch weicher Gewebeteile wie Muskeln ermöglicht. MRT Bildgebung bietet weitere Vorteile wie z.B. Diffusions-Tensor-Bildgebung. Hierdurch können Details zum Faserverlauf im Gewebe dargestellt und somit z.B. weitere Informationen zu Lage und Verbindung einzelner Muskelstränge gewonnen werden.
Verhaltensanalyse
Markerlose Bewegungsverfolgung
Für eine umfassende Interpretation von Ergebnissen der Untersuchung neuronaler Netzwerke zur Bewegungssteuerung ist es wichtig, Daten die verschiedene Aspekte dieser Netzwerke beleuchten gemeinsam zu analysieren. Dies erfordert die Integration der Erkenntnisse zur Neuroanatomie und Elektrophysiologie der Motornetzwerke mit Analysen der Kinematik der von den Netzwerken gesteuerten Bewegungen. In den vergangenen Jahren wurden große Fortschritte auf dem Gebiet der Markerlosen Bewegungsverfolgung gemacht: Ein Beispiel für ein frei verfügbares Softwarepacket das solche Bewegungsanalysen ermöglicht ist DeepLabCut (Link zur Projektseite: klick). DeepLabCut bietet eine anwenderfreundliche Oberfläche die es Nutzern erlaubt neuronale Netzwerke mit eigenen Videodaten zu trainieren, um so die Bewegungen von Nutze-definierten Körperteile zu verfolgen. Die gewonnenen Positionsdaten stehen anschließend für weitere Analysen zur Verfügung.
Aufnahmen sich frei bewegender Tiere können genutzt werden, um die Kinematik ihrer Bewegungen zu analysieren. Hierzu können die Bewegungen bestimmter Körperteile zunächst mit DeepLabCut verfolgt und die gewonnenen Daten anschließend zur Analyse der Bewegungsabläufe genutzt werden. Die gemeinsame Analyse der Kinematik der aufgezeichneten Bewegungsabläufe mit dem muskuloskeletalen Aufbau der beteiligten Körperteile und den anatomischen und physiologischen Eigenschaften der neuronalen Netzerwke die den Bewegungen zugrunde liegen bietet große Chancen für neue Einblicke in die funktionale Organosation von motorischen Netzwerken. Zudem ermöglichen uns diese Daten Einblicke in die Aspekte solcher Organisation, deren Anpassung/Veränderung die Steuerung neuer Bewegungsabläufe ermöglichen (z.B. im Laufe der Evolution). Auf der rechten Seite sehen Sie Daten einer Vorläufigen Untersuchung der Bewegungsabläufe eines afrikanischen Schlammspringers bei der schwimmenden Fortbewegung unter Wasser, sowie der kriechenden Fortbewegung an Land. In der Auswertung ist die Phasenverschiebung des undulatorischen Rhythmus vom Vorder-zum Hinterende des Tieres gut sichtbar. Sie veranschaulicht die sequenzielle Aktivierung der an der Bewegung beteiligten Muskeln. Im unteren Panel sieht man Markierungen über die die Bewegungen von Bauch- und Brustflossen während eines “Schrittes” an Land verfolgt wurden.
Elektrophysiologie
Die Aufzeichung neuronaler Aktivität von Motoneuronen mit Hilfe der Patch Clamp Technik ermöglicht detaillierte Einblicke in ihre elektrophysiologischen Eigenschaften. Durch z.B. pharmakologische Manipulation einzelner Typen von Ionenkanälen können die der Elektrophysiologie zugrunde liegenden molekularen Bestandteile der Zellen beschrieben und wichtige Rückschlüsse auf deren Zusammenspiel gezogen werden.
Bothe, M. S., et al. (2024). Timing and precision of rattlesnake spinal motoneurons are determined by the KV72/3 potassium channel. Current Biology, 34(2), 286-297.e5., licence: CC BY 4.0
Bothe, M. S., et al. (2024). Timing and precision of rattlesnake spinal motoneurons are determined by the KV72/3 potassium channel. Current Biology, 34(2), 286-297.e5., licence: CC BY 4.0
*Gutjahr, R., *Bothe, M. S., et al. (2024). Diversification of pectoral control through motor pool extension. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(49). *Equal contribution. Licence: CC BY-NC-ND 4.0