STED-Bildgebung an einzelnen neuronalen Dendriten im Mauscortex im Hinblick auf Dendritenspezifität von dendritischen Dornen einer Zelle

Abstract

Zusammenfassung: Es ist bekannt, dass dendritische Dornen als Grundpfeiler für Lernen, Gedächtnis und Kognition gelten. Sie sind unter anderem ein grundlegendes Gefüge für die Informationsverarbeitung im Nervensystem und sind essentiell für das Verständnis von neurologischen Erkrankungen. Für die Erforschung der dendritischen Dornen zählt die Fluoreszenzbildgebung zu einem der wichtigsten Ansätze in der neurobiologischen Forschung. Sowohl die Konfokaltechnik als auch die 2-Photonen-Mikroskopie werden für die Untersuchung der Morphologie verwendet. Die Auflösung dieser Mikroskopietechniken ist jedoch durch die Beugungsgrenze limitiert und somit oftmals im Ergebnis der Bildgebung unzureichend, sodass diese häufig mit der Elektronenmikroskopie ergänzt wird. Die STED-Mikroskopie ist in der Lage, die Limitierung der Auflösung aufgrund der Beugungsgrenze zu umgehen und somit hochauflösende Bilder zu erzeugen. Diese Technik verbessert die Darstellung der morphologischen Parameter der Dornen. So sind beispielsweise die Morphologien der Dornenköpfe oder auch die Dornenhalsbreite besser zu beurteilen, von denen angenommen wird, dass sie eine bedeutende Rolle für die Funktion und Plastizität synaptischer Verbindungen darstellen. Die Morphologie der Dornen wird mit Hilfe der hochauflösenden STED-Mikroskopie betrachtet, die es ermöglicht, den Dendriten schrittweise zu verfolgen und ihn zum Ende der Aufnahmen als Ganzes zu betrachten. Auf diese Weise können die Dornen eines kompletten Dendriten erfasst und beurteilt werden. Primäres Ziel dieser Dissertation ist es, die Morphologie der einzelnen dendritischen Dornen innerhalb einer Zelle auf unterschiedlichen Dendriten zu beurteilen. So wird untersucht, wie homogen bzw. inhomogen die dendritischen Dornen auf den unterschiedlichen Dendriten verteilt sind. In dieser Doktorarbeit ergeben die Untersuchungen hinsichtlich dendritischer Dornen einzelner Neuronen im auditiven Cortex der Maus vier Formklassen. Die Aufnahme und Analyse von insgesamt 570 dendritischen Dornen ergab, dass sie nicht zufällig auf den Dendriten verteilt sind, wobei einige Dornen bestimmter Klassen auf vereinzelten Dendriten häufiger anzutreffen sind. Des Weiteren besitzen Dendriten eine gewisse Individualität, die durch signifikante Unterschiede in Parametern wie Dornendichte und Dornenlänge unterstützt werden. Besonders hervorzuheben ist, dass zum ersten Mal im Mausmodell eine Dendritenspezifität der Dornen nachgewiesen werden konnte.

Summary: Dendritic spines are known to be the cornerstone of learning, memory and cognition. Among other things, they are a fundamental structure for information processing in the nervous system and are essential for understanding neurological diseases. For the study of dendritic spines, fluorescence imaging is one of the most important approaches in neurobiological research. Both confocal and 2-photon microscopy are used to study morphology. However, the resolution of these microscopy techniques is limited by the diffraction limit and thus often insufficient in the imaging result, so it is often complemented with electron microscopy. STED microscopy is able to circumvent the limitation of resolution due to diffraction limit and thus produce high-resolution images. This technique improves the visualisation of the morphological parameters of the spines. For example, the curvature of the spine heads or even the spine neck width can be better assessed, which are thought to play a significant role in the function and plasticity of synaptic connections. The morphology of the spines is imaged using high-resolution STED microscopy, which allows the dendrite to be followed step by step and viewed as a whole image. In this way, the spines of a complete dendrite can be recorded and assessed. The primary goal of this dissertation is to assess the morphology of the individual dendritic spines within a cell on different dendrites. Thus, it is investigated how homogeneously or inhomogeneously the dendritic spines are distributed on the different dendrites. In this doctoral thesis, the investigations of the dendritic spines of individual neurons in the auditory cortex of the mouse reveal four shape classes. Moreover, the spines are not randomly distributed on the dendrites, with some spines of certain classes being found more frequently on isolated dendrites. Furthermore, dendrites possess a certain individuality, which is supported by significant differences in parameters such as spine density and spine length. It is particularly noteworthy that dendrite specificity of spines could be shown in the mouse model for the first time.