Regeneration von Rückenmarksnerven – Das Geheimnis des Salamanders

Salamander haben eine einzigartige Superkraft – sie können die Nerven in ihrem Rückenmark regenerieren und ihre volle Funktionsfähigkeit wiedererlangen. Wissenschaftler arbeiten im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojekts daran die Mechanismen hinter dieser Wiederherstellungsfähigkeit aufzudecken, wie die Eidgenössische Hochschule Lausanne (EFPL) mitteilt.

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„Salamander sind einzigartig, weil sie zu den einzigen Tetrapoden gehören, die in der Lage sind, das Rückenmark mit voller Funktionalität nachwachsen zu lassen“, sagt Auke Ijspeert, Leiter des Biorobotik-Labors der EPFL. Nach einer Verletzung sind diese Amphibien in der Lage, „magisch“ ihr Rückenmark nachwachsen zu lassen und die Gehfähigkeit zu erhalten.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Ijspeert zusammen mit András Simon, Professor am Karolinska-Institut in Schweden, und Dimitri Ryczko, Assistenzprofessor am Labor für motorische Kontrolle der Université de Sherbrooke in Kanada, untersucht im Rahmen eines Projekts, das gerade vom Europäischen Forschungsrat ein Synergie-Stipendium erhalten hat, die genaue Funktionsweise dieses Prozesses.

Entzifferung neuronaler Mechanismen

Die Wissenschaftler wollen Methoden aus der Genomik ( die systematische Analyse des vollständigen Genoms bzw. aller aktiven Gene), Neurowissenschaft, Computermodellierung und Biorobotik kombinieren, um die neuronalen Mechanismen zu entschlüsseln, die der Regeneration des Rückenmarks zugrunde liegen. „Das Nervensystem eines Salamanders hat die gleichen funktionellen Elemente wie das eines Säugetiers, aber in einer relativ vereinfachten Struktur“, sagt Ryczko. „Das macht Salamander zu idealen Tieren für das Studium motorischer Kontrollnetzwerke bei Wirbeltieren.

Die Forschung zielt auch darauf ab, besser zu verstehen, wie das zentrale und das periphere Nervensystem während der Fortbewegung interagieren. „Das Rückenmark ist Teil des zentralen Nervensystems und dient als Kontrollraum für die Fortbewegung“, sagt Ijspeert. Wissenschaftler hatten bereits beobachtet, wie neuronale Netzwerke in einem isolierten Rückenmark selbständig arbeiten und die richtigen Befehle für die Bewegung geben. „Das ist überraschend, denn es bedeutet, dass das Rückenmark automatisch weiß, welche Signale es an die Muskeln senden muss, um deren Bewegung zu regulieren, ohne dass es dazu Input vom Rest des Körpers braucht“, so Ijspeert. Aber das Rückenmark ist nicht allein in diesem Kontrollraum. Das periphere Nervensystem ist ebenfalls dort, übermittelt sensorische Informationen über die Umgebung des Körpers an das zentrale Nervensystem und nimmt an der Bewegungssteuerung teil. Das Forschungsteam glaubt, dass diese Redundanz zusammen mit der physischen Interaktion zwischen dem Körper eines Salamanders und seiner Umgebung eine wichtige Rolle im Prozess der funktionellen Erholung spielt.

Künstliche Haut zur taktilen Wahrnehmung

Um ihre Hypothese zu überprüfen, werden die Wissenschaftler ihr Know-how in ihren jeweiligen Fachgebieten kombinieren. Ryczko wird sein Wissen über die biologischen Mechanismen der motorischen Kontrolle nutzen, um zu untersuchen, wie neuronale Netze strukturiert sind. Mit Hilfe der Optogenetik – einer Methode, bei der Neuronen für Licht empfindlicher gemacht und dann bestimmte Arten von Nervenzellen stimuliert werden – wird er die Neuronenaktivität vor und nach einer Rückenmarksverletzung messen. Simon, ein Experte auf dem Gebiet der neuralen Regeneration, hat das Salamander-Genom charakterisiert; er wird die optogenetischen Werkzeuge liefern, die für Ryczkos Arbeit benötigt werden, und die molekularen Eigenschaften der regenerierten neuralen Netzwerke untersuchen.

Schließlich werden Ijspeert und sein Team Computermodelle der neuronalen Netze entwickeln und Biorobotik-Know-how bereitstellen, so dass die Modelle nicht nur durch Simulationen, sondern auch an einer verbesserten Version des Roboters Salamander dem Pleurobot, getestet werden können. „Wir werden eine Art taktile Haut für den Roboter schaffen“, sagt Ijspeert. „Da es schwierig ist, die Wechselwirkungen des Körpers eines Salamanders mit seiner Umgebung – Sand, Wasser, Schlamm usw. – zu modellieren, werden wir eine Art taktile Haut für den Roboter schaffen. – werden wir sie mit dem Roboter nachbilden. Das wird uns zeigen, wie die Umgebung des Tieres seine Fortbewegung beeinflusst, und uns wertvolle Einblicke in die Wechselwirkungen des Körpers mit dem Nervensystem geben“.

Simon fügt hinzu: „Salamander sind die einzigen Wirbeltiere, die sowohl über den Bewegungsapparat eines Tetrapoden (Vierfüßler) als auch über die Fähigkeit verfügen, Neuronen zu regenerieren. Die evolutionäre Position des Salamanders bietet uns eine einzigartige Gelegenheit, Entdeckungen zu überbrücken, die bei regenerativen, aber beinlosen Wirbeltieren wie Fischen und nicht regenerativen, terrestrischen Säugetieren gemacht wurden“.

Obwohl sich dieses Projekt hauptsächlich auf die Grundlagenforschung konzentriert, sieht Ijspeert immer noch potenzielle Anwendungen in seinem Fachgebiet. „Wir hoffen, dass eines Tages die Konzepte der robusten Mechanismen und der Regeneration auf die Robotik übertragen werden können, so dass Ingenieure fehlertolerante Maschinen bauen können, die trotz Schäden an ihrer elektronischen und mechanischen Hardware weiter funktionieren“, sagt er.

Für einen ähnlichen Ansatz siehe: Gen-Partner und die Regeneration des Rückenmarks


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