Bundesforschungsministerin Anja Karliczek setzt sich schon lange für eine zukunftsgerichtete Wissenschaftskommunikation ein, die eine Positionierung der Wissenschaft in der Mitte der Gesellschaft zum Ziel hat. Die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) umzusetzende Strategie zur Wissenschaftskommunikation (formuliert in einem Grundsatzpapier von 2019 ) betont die hohe gesellschaftliche Relevanz der Wissenschaftskommunikation und benennt Dialogorientierung, Allgemeinverständlichkeit sowie Vertrauensbildung in die Wissenschaft als bedeutende Parameter für dessen Qualität. Um diese Art von Wissensaustausch an der Schnittstelle von Wissenschaft und Gesellschaft zu ermöglichen und zu fördern, sieht sich auch das Leibniz-IZW in der Pflicht, vielfältige und effiziente Instrumente zu entwickeln. Insbesondere digitale Tools zur Plattform-Kommunikation sind dazu geeignet, niederschwellige und reichweitenstarke Kommunikation mit hohem Interaktionsgrad anzuregen.

Mit der Ausgründung von „Keep Nature Alive“ trägt das Leibniz-IZW diesen Zielen Rechnung. Die Plattform unterstützt nationale und internationale Projekte, die sich dafür einsetzen, den Verlust der biologischen Vielfalt zu stoppen und die negativen Auswirkungen des Menschen auf Natur und Klima zu reduzieren. Dabei arbeitet die Plattform in enger Kooperation mit dem Leibniz-IZW und weiteren Forschungseinrichtungen und Institutionen zusammen. Zugleich wird auf der Plattform eine Gemeinschaft von Interessierten und Unterstützer:innen aufgebaut, die direkt mit den Initiator:innen der geförderten Projekten in kommunikativen Austausch treten können. Mithilfe der Plattform lernen Unterstützer:innen aus erster Hand etwas über die Arbeit von Naturschutzforschung und deren positive Auswirkungen auf die Artenvielfalt. Die Plattform hält Nutzer:innen über die unterstützten Projekte auf dem Laufenden, organisiert Online-Treffen mit Projektwissenschaftler:innen und ermöglicht zukünftig eventuell Aufenthalte und Vor-Ort-Termine bei den Projekten. Dies gibt den Nutzer:innen wertvolle Einblicke in die Arbeit der Projekte und bringt Wissenschaft und Gesellschaft in engen Austausch.

Keep Nature Alive ist die erste Kommunikations- und Crowdfunding-Plattform, die kommunikationswissenschaftlich begleitet werden soll. Um zukünftig Erkenntnisse über die Kommunikation mit verschiedenen Adressaten zu gewinnen und ausgewählte Kommunikationsinstrumente für Wissenschaftler:innen zu verbessern, soll u.a. eine internationale Kommunikations- und Crowdfunding-Kampagne zum BMBF-geförderten BioRescue-Projekt (www.biorescue.org) für die sozialen Medien entwickelt und  kommunikationswissenschaftlich begleitet werden. BioRescue ist ein Artenschutzforschungsprojekt zum Erhalt des Nördlichen Breitmaulnashorns. Die geplante Kampagne wird eine Weiterentwicklung der 2014 stattgefundenen „Ice Bucket Challenge“ sein. Diese sehr erfolgreiche amerikanische Kampagne machte weltweit auf die Nervenkrankheit Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) aufmerksam und warb wesentliche Drittmittel für die Forschung ein. Ziel der Begleitforschung von Keep Nature Alive wird es sein, Charakteristika von Nutzergruppen und Nutzerverhalten aus verschiedenen Ländern sowie Kommunikationswege und Funktionsprozesse von viralen Kampagnen zu untersuchen.

„Durch meine 20-jährige Kommunikationstätigkeit in der Naturschutzforschung am Leibniz-IZW habe ich tiefe Einblicke in aktuelle und zukünftige Herausforderungen für den Erhalt von Biodiversität gewonnen. Während dieser Zeit habe ich aus erster Hand erfahren, wie wichtig es ist, erlangtes, evidenzbasiertes Wissen fachgerecht zu vermitteln. Dadurch können Forschungsergebnisse maximal wirksam werden und zur Lösung gesellschaftlicher Herausforderungen nachhaltig beitragen. Darüber hinaus habe ich auch den hohen Bedarf an Forschungsgeldern gesehen, den Naturforschungsprojekte zusätzlich zu staatlichen Förderstrukturen benötigen. Daher kann unsere neue Kommunikations- und Crowdfunding-Plattform ‚Keep Nature Alive‘ hier einen wesentlichen Beitrag zur Schaffung von neuen Synergien leisten“, erklärt Steven Seet, Gründer der Plattform und Leiter der Wissenschaftskommunikation am Leibniz-IZW.

„Nur was man kennt und zu schätzen weiß, schützt man. Aus diesem Grund haben wir ‚Keep Nature Alive‘ so konzipiert, dass es mehr ist als eine Naturschutzkasse oder eine Mautstation für unseren Planeten – unser Ziel ist es, durch Kommunikation und vielseitige Interaktionen zu informieren, zu engagieren und zu motivieren. Wenn wir das Bewusstsein für die aktuellen Umweltherausforderungen schärfen, Wissen über mögliche Lösungen verbreiten und Unterstützer:innen mit Wissenschaftler:innen und Naturschützer:innen in Kontakt bringen, können wir unsere Welt zum Besseren verändern”, sagt Jan Zwilling, Mitbegründer von Keep Nature Alive.

Für die Untersuchung analysierten die Wissenschaftler:innen die wissenschaftliche Literatur zur Reaktion von insektenfressenden Fledermäusen auf künstliches Licht bei Nacht (artificial light at night, ALAN). Dabei differenzieren sie nach funktionellen Gruppen von Fledermausarten und nach ökologischen Kontexten. Sie folgten der üblichen Einteilung europäischer Fledermausarten in drei Artengruppen mit einer ähnlichen Lebensweise: Arten die in strukturdichten Habitaten wie Wälder Insekten jagen; Arten, die an Strukturrändern in der Nähe von Objekten nach Insekten suchen (beispielsweise an Gebäuden oder an Waldrändern); sowie Arten, die im offenen Luftraum über Wiesen und Felder, Gewässer oder oberhalb der Baumkronen ihrer Beute nachstellen. Diese Gruppen haben für ihr Jagdhabitat jeweils passende funktionale Eigenschaften, beispielsweise bei der Echoortung oder der Flügelform, entwickelt. Darüber hinaus überprüften die Wissenschaftler:innen, in welcher Weise die drei Artengruppen auf künstliches Licht in Abhängigkeit vom jeweiligen Lebensraum (Lage der Tagesquartiere, Flugkorridore, Lage der Jagdgebiete oder Trinkstellen) reagierten.

Die Analysen ergaben ein komplexes, aber konsistentes Bild, so Erstautor PD Dr. Christian Voigt, Leiter der Abteilung für Evolutionäre Ökologie am Leibniz-IZW. „Prinzipiell reagieren alle europäischen Fledermausarten äußerst sensibel auf künstliches Licht, vor allem in der Nähe von Tagesquartieren und Trinkstellen“, so Voigt. „Dies lässt sich damit erklären, dass die Anwesenheit von Fledermäusen an diesen Stellen für Beutegreifer wie Eulen vorhersagbar ist und die Fledermäuse daher dort besonders vorsichtig sind.“ In Flugkorridoren, die beispielsweise Tagesquartiere und Jagdgebiete verbinden, ist die Reaktion variabler. Viele Arten (insbesondere jene, die in Wäldern oder an Strukturrändern jagen) meiden auch hier das Licht und weichen auf Dunkelkorridore aus, wenn künstliches Licht die Nacht erhellt. Andere Arten hingegen lassen sich in solch einer Situation nicht durch künstliches Licht vergrämen, werden durch die Beleuchtung aber auch nicht angezogen. „Bei den Jagdgebieten offenbaren sich zwei unterschiedliche Reaktionsmuster“, sagt Dr. Daniel Lewanzik, Wissenschaftler in Voigts Abteilung und Koautor des Aufsatzes. „Manche Arten, die im offenen Luftraum oder an Strukturrändern jagen, werden vom Insektenreichtum an Lichtquellen angezogen. Man kann sie im Sommer manchmal dabei beobachten, wie sie von einer Straßenlaterne zur nächsten fliegen und dort Insekten jagen. Waldbewohnende Arten hingegen meiden Lichtquellen generell, auch bei der Insektenjagd.“ Für alle Arten gelte, dass bei künstlichem Licht das Risiko, selbst Opfer eines Beutegreifers zu werden, mit den möglichen Vorteilen abgewogen wird – unterschiedliche funktionale Gruppen kommen offenkundig zu unterschiedlichen Ergebnissen bei dieser Abwägung.

Voigt und seine Koautor:innen plädieren dafür, diese differenzierten Erkenntnisse stärker beim Fledermausschutz zu berücksichtigen. Dies bedeute beispielsweise, (potenzielle) Tagesquartiere und Trinkstellen konsequent vor künstlichem Licht zu schützen und Schutzmaßnahmen insbesondere auf jene Arten auszurichten, die auch bei der Jagd keinen Nutzen von Beleuchtung hätten. Da der „Nutzen“ der nächtlichen Beleuchtung  aber auf bestimmte Orte und Tätigkeiten beschränkt ist, würden alle Arten profitieren, wenn die Lichtverschmutzung reduziert würde und Dunkelkorridore (beispielsweise städtische Parks) konsequent dunkel blieben und neue Dunkelinseln in der Stadtlandschaft etabliert würden.

Publikation

Voigt CC, Dekker J, Fritze M, Gazaryan S, Hoelker F, Jones G, Lewanzik D, Limpens HJGA, Mathews F, Rydell J, Spoelstra K, Zagmajster M (2021): The impact of light pollution on bats varies according to foraging guild and habitat context. BioScience, Volume 71, Issue 10, October 2021, Pages 1103–1109, doi: 10.1093/biosci/biab087

Als sie an der Universität Erlangen in der Vorlesung von Prof. Dominik Müller saß und hörte, dass zu viel Salz nicht nur den Blutdruck, sondern auch Immunzellen beeinflusst – bis dato wusste niemand so genau warum – hätte es sie sofort „gecatched“. „Alles, was mit Ernährung, Lifestyle und Immunsystem zu tun hat, finde ich total spannend“, sagt Sabrina Geisberger. Nach ersten Studien in ihrer Masterarbeit wechselte sie auf Dominik Müllers Anregung an die Freie Universität Berlin und begann ihre Doktorarbeit in Müllers Labor am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC). Sie begann mit der Isolierung bestimmter Immunzellen von Mäusen. Wurden diese in eine salzreiche Nährstofflösung gesetzt, veränderten die Fresszellen (Makrophagen) ihre Funktion. Bei einer Gruppe von gesunden Probanden, die sechs Wochen täglich zusätzlich sechs Gramm in Form von Salztabletten zu sich nahmen, war es genauso: Deren Monozyten, die Vorläuferzellen der Makrophagen im Blut, veränderten ihre Aktivität.

Molekularbiologische Analysen zeigten, dass die Mitochondrien, die „Kraftwerke“ der Zellen, durch das Salz in ihrer Funktion gehemmt worden waren. Die Atmungskette wird unterbrochen und die Zellen bilden weniger ATP, also jenen universellen Kraftstoff für die „chemische Arbeit“, den Zellen für die Proteinsynthese, Muskelarbeit und vieles mehr benötigen. Ein Effekt, der nach einigen Stunden erfreulicherweise wieder nachlässt, wie weitere Tests an Freiwilligen nach Verzehr einer Pizza (= zehn Gramm Salz) zeigten. Ein ständiger übermäßiger Salzverzehr beeinflusst jedoch die Gesundheit negativ. „Die grundlegende neue Erkenntnis ist, dass so ein kleines Molekül wie das Natriumion ein zentrales Enzym der Atmungskette extrem effizient hemmen kann“, sagt Dr. Stefan Kempa, Koautor der im renommierten Fachjournal „Circulation“ publizierten Studie. In Kempas Labor setzt Sabrina Geisberger nun ihre Forschungen als Postdoktorandin fort.

Geisbergers Arbeit wirft ein neues Licht auf diverse Erkrankungen, denn das Salz stärkt nachweislich entzündungsfördernde Immunzellen. „Langfristig werden dadurch chronische Entzündungen befeuert, darunter kardiovaskuläre Erkrankungen mit Endorganschäden an Herz und Nieren sowie Gelenkentzündungen und Autoimmunerkrankungen“, erklärt die Biochemikerin. „Da steckt noch vieles drin, was erforscht werden muss. Zum Beispiel: Welche Zellen erkennen noch Salz – und warum?“ Sie vermutet, dass neben Monozyten und Makrophagen auch andere Immunzellen im Blut und Darm und die Endothelzellen der Blutgefäße sensibel auf das Salz reagieren. Sabrina Geisbergers Erkenntnisse werden nach Ansicht von MDC-Direktor Prof. Thomas Sommer bald Eingang in die Lehrbücher finden.

Die zweite Preisträgerin Dr. Vittoria Sposini präzisierte in ihrer Doktorarbeit durch Berechnungen physikalische Modelle, die auf Albert Einstein zurückgehen. Konkret auf die Einstein-Smoluchowski-Gleichung, welche die Diffusion kleiner Teilchen mit ihrer Beweglichkeit verknüpft. Bevor Vittoria Sposini in die Arbeitsgruppe „Theoretische Physik“ von Prof. Ralf Metzler an die Universität Potsdam kam, studierte sie Physik in Perugia, Bologna und Bilbao. Ihr Doktorvater ist begeistert von ihrem mathematischen, technischen Gespür und der Hartnäckigkeit, mit der sie sich der sogenannten „Brownschen, aber nicht-Gaußschen Diffusion“ annahm. Experimentelle Physiker hatte diese in einer ganzen Reihe von Versuchen und Simulationen beobachtet, die so gar nicht der oben genannten, bekannten Formel entsprachen.

„In der Realität verteilen sich Partikel eben nicht gemäß der Gaußschen Glockenkurve – insbesondere dann nicht, wenn die Umgebung heterogen ist und/oder andere Partikel sie behindern. Wie zum Beispiel in einer lebenden Zelle“, erklärt Metzler. „Anstelle der symmetrischen Gaußfunktion bekommt man etwas viel Komplizierteres.“ Typischerweise werden viel langsamer abfallende Verteilungen gemessen. Und diese lassen sich dank der mathematischen Modelle von Vittoria Sposini nun viel besser berechnen. Der Kniff dabei: Man betrachtet (theoretisch) nicht nur ein Teilchen, sondern mehrere gleichzeitig, die sich aufgrund unterschiedlich dichter Umgebung mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen. Manche langsamer, andere schneller. Dann wird über die verschiedenen Mobilitäten gemittelt und Grenzwertsätze für eine ausreichend große Anzahl solcher Teilchen gebildet. Ganz ähnlich ist es, wenn ein einzelnes Teilchen auf seinem Weg immer wieder langsamer und schneller wird. Ja, das klingt jetzt kompliziert, vereinfacht aber viele, für die Forschung wichtige Berechnungen. „Die nicht-Gaußsche Diffusion spielt zum Beispiel eine Rolle bei der Ausbreitung von Proteinen in einer lebenden Zelle, von Amöben auf einer Glasplatte oder bei der Berechnung der tatsächlichen Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Aber eben auch bei ganz lebensnahen Dingen“, betont Ralf Metzler. Etwa wenn es darum geht, wie schnell sich ein neuer Virus in der Bevölkerung ausbreiten kann oder wie rasch ein Umweltgift nach einem Chemieunfall durch den Boden ins Grundwasser einsickern wird. Vittoria Sposini setzt nun ihre theoretischen und computergestützten Studien als Postdoktorandin an der Universität Wien fort. „In meiner aktuellen Forschung möchte ich die Ergebnisse meiner Doktorarbeit über nicht-Gaußsche Eigenschaften in heterogenen Systemen nutzen, um ein neues Licht auf die langsame Dynamik zu werfen, die für Systeme typisch ist, die sich dem Glasübergang nähern. Ich konzentriere mich dabei insbesondere auf Systeme aus dem Bereich der weichen Materie", erklärt Vittoria Sposini.

Mit dem Marthe-Vogt-Preis werden herausragende Promotionen in Gebieten gewürdigt, zu denen auch der Forschungsverbund Berlin forscht. Die Arbeit muss jedoch nicht an einem seiner Institute entstanden sein. Der Preis erinnert an die deutsche Pharmakologin Marthe Louise Vogt (1903- 2003), deren Forschung wesentlich zum Verständnis der Neurotransmitter im Gehirn, insbesondere des Ephedrins, beitrug.

Verleihung des Marthe-Vogt-Preises

Die Preisverleihung findet am Dienstag, 2. November, um 18 Uhr im Haus der Leibniz-Gemeinschaft in Berlin statt. Sie ist Teil der Berlin Science Week 2021. Sie wird auch als Livestream übertragen (Dauer: 1:15 St.). Der Link wird hier abrufbar sein: www.fv-berlin.de/karriere/marthe-vogt-preis

Der Glutamat-Rezeptor AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) sorgt dafür, dass Neurotransmitter mit enormer Geschwindigkeit von Gehirnzelle zu Gehirnzelle übertragen werden. Dass der Rezeptor diese lebenswichtige Aufgabe in ein paar Millisekunden erledigt und damit schneller als alle anderen Glutamat-Rezeptoren ist, galt als gesichert. Nun sieht es so aus, als müssten die Lehrbücher umgeschrieben werden. Wissenschaftler*innen vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) in Berlin haben an Mäusegehirnen entdeckt, dass es auch außerordentlich langsame AMPA-Rezeptoren gibt. Diese bleiben nach Stimulation 500 Millisekunden aktiv – sind also etwa 100 mal langsamer als das „Original“. Dabei handelt es sich nicht um Einzelfälle: Etwa zwei Drittel aller Pyramidenzellen des Hippocampus exprimieren langsame AMPA-Rezeptoren.

Zwei neue AMPA-Rezeptoren identifiziert

„Tatsächlich sind unsere Ergebnisse für die Biophysik und die Neurowissenschaften eine kleine Revolution“, sagt Heisenberg-Professor Dr. Andrew Plested, Leiter der Gruppe „Molecular Neuroscience and Biophysics“ am FMP und Mitglied des Exzellenzclusters „NeuroCure“. „Denn erstmals konnten wir nachweisen, dass es neben den blitzschnellen AMPA-Rezeptoren noch mindestens zwei weitere Typen gibt, die in einem sehr viel langsameren Modus arbeiten.“ Dies sei zwar schon vermutet worden, aber noch nie an Gehirngewebe so detailliert gezeigt worden.

AMPA-Rezeptoren sind für unsere Gehirnfunktionen überlebenswichtig. Unklar ist noch, welche Bedeutung die jetzt entdeckten langsamen AMPA-Rezeptoren mit ihrem Synapsenpotenzial von über 100 Millisekunden für kognitive Prozessen wie etwa Denken, Sprechen, Rechnen oder Erinnern haben. Diese spannende Frage wird im Weiteren zu erforschen sein. Noch sind sich die Forschenden nicht ganz sicher, ob AMPA-Rezeptoren unterschiedliche Eigenschaften annehmen, indem sie zwischen einem schnellen und langsamen Modus hin und her wechseln können – oder ob es sich um grundverschiedene Typen handelt. Die Forscher vermuten, dass es sowohl schnelle, langsame als auch multifunktionale AMPA-Rezeptoren gibt. „Aufgrund unserer Daten gehen wir momentan von mehreren Rezeptorttypen aus, was die Funktion des Glutamat-Rezeptors in einem völlig neuen Licht erscheinen lässt“, sagt Dr. Niccolò Pampaloni, Erstautor der in „Cell Reports“ publizierten Studie.

Instabiler Prozess mit gefährlichen Aspekten

In diesem Zusammenhang hat das Forscherteam noch eine weitere spektakuläre Entdeckung gemacht: Nach der gängigen Lehrmeinung wird die Aktivität des AMPA-Rezeptors ausschließlich von der signalgebenden prä-synaptische Zelle bestimmt, und die post-synaptische Zelle ist lediglich ein passiver Empfänger. Die Forscher fanden jedoch belastbare Hinweise, dass langsame AMPA-Rezeptoren in der post-synaptischen Zelle die Dauer der synaptischen Signalübertragung maßgeblich beeinflussen. Hierfür nutzen sie offenbar Hilfsproteine.

Doch das habe auch gefährliche Aspekte, meint Niccolò Pampaloni, der durch ein EMBO-Stipendium gefördert wird. „Wir haben es hier mit einem sehr instabilen Feedbackprozess zu tun, der irgendwie falsch wirkt und zum Beispiel mit Epilepsie in Verbindung stehen könnte. Wir wissen auch nicht, was passiert wenn dieser Prozess einmal außer Kontrolle gerät – etwa durch einen Unfall, einen Schlaganfall oder ein anderes Event, bei dem viel Glutamat ausgeschüttet wird.“

Neues Kapitel in den Neurowissenschaften aufgeschlagen

Grundlegende Fragen hinsichtlich Hirnfunktion und Pathologien können erst in einem übernächsten Schritt beantwortet werden. Zunächst einmal muss geklärt werden, ob auch der Mensch tatsächlich die neu entdeckten AMPA-Rezeptoren besitzt. Diese entscheidende Fragestellung wollen die Forscher*innen in Kürze an humanen Gewebeproben untersuchen. Eine Kooperation mit der Charité-Universitätsmedizin über das Exzellenzcluster „NeuroCure“ ist bereits angebahnt.

Nach den aktuellen Daten geht das Berliner Forscherteam davon aus, dass langsame AMPA-Rezeptoren im menschlichen Gehirn weit verbreitet sind, und zwar über den Hippocampus hinaus. Biophysiker Plested: „Wir hoffen, dass wir mit unserer Entdeckung ein neues Kapitel aufgeschlagen haben, mit dem sich nun Grundlagenforscher*innen und Neurowissenschaftler*innen ausgiebig beschäftigen werden.“

Publikation

Niccolò P. Pampaloni, Irene Riva, Anna L. Carbone, Andrew J.R. Plested. Slow AMPA receptors in hippocampal principal cells. Cell Reports, DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109496, https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109496

Die Pressemitteilung inkl. Foto ist auf der FVB-Website abrufbar: https://www.fv-berlin.de/infos-fuer/medien-und-oeffentlichkeit/news/langsame-version-des-glutamat-rezeptors-ampa-entdeckt

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Kalium ist unter anderem unentbehrlich für die Erregbarkeit der Muskel- und Nervenzellen. Verschiedene Ionenkanäle sorgen dafür, dass Kaliumionen über Zellmembranen fließen und dadurch elektrische Ströme erzeugen. Vor 20 Jahren konnte das Team von Prof. Thomas Jentsch vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) in Berlin die Gene für die Kaliumkanalfamilie KCNQ2-5 identifizieren und später zeigen, dass Mutationen an KCNQ2 und KCNQ3 erbliche bedingte Epilepsie beim Menschen verursachen können. Dank dieser wegweisenden Arbeiten konnten Pharmafirmen zielgenaue Antiepileptika entwickeln.

Nun haben ein Team von Molekularbiologen unter Federführung von Thomas Jentsch und ein Team von Neurophysiologen, geleitet von Alexey Ponomarenko (vormals FMP, heute Professor an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) zusammen mit Kollegen der University of Connecticut und der Universität zu Köln Hinweise gefunden, dass KCNQ3 möglicherweise auch eine Rolle bei der Alzheimer-Demenz und weiteren kognitiven Störungen spielen könnte.

Normalerweise werden bestimmte Kaliumströme vom Transmitter Acetylcholin gehemmt, was wichtig für die Erregbarkeit im Kortex und damit entscheidend für Gedächtnis und Aufmerksamkeit ist. Diese sogenannte cholinerge Neuromodulation geht bei Alzheimer-Patienten bekanntlich nach und nach verloren. In der vorliegenden Arbeit untersuchten die Forschenden die Rolle der KCNQ3-Kanäle speziell bei der Neuromodulation des Navigationssystems des Gehirns. Die sogenannten Ortsfelder („place fields“), deren Entdeckung vor einigen Jahren mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, dienen dem Gehirn als innere Landkarte. „Wir fanden heraus, wie verschiedene Signale, die von Ortszellen unter der Kontrolle von KCNQ3-Kanälen erzeugt werden, mit den Gehirnrhythmen interagieren und so präzise räumliche Karten bilden“, beschreibt Alexey Ponomarenko ein zentrales Ergebnis der Studie.

Bei Knock-out-Mäusen mit defektem KCNQ3-Kanal, die von Thomas Jentschs Gruppe erzeugt wurden, zeigte sich jedoch ein anderes Bild: Während bei gesunden Mäusen die Aktivitätsmuster der Ortszellen einer bestimmten räumlichen und zeitlichen Abfolge unterlagen, lief bei den Knock-Out-Mäusen die synaptische Übertragung von einzelnen oder mehreren Signalen gleichzeitig (Salven) mehr oder weniger chaotisch ab. „Salven haben normalerweise einen bestimmten Rhythmus, wann sie abgefeuert werden. Bei den Mutanten werden sie jedoch nicht mehr durch den Rhythmus kontrolliert, sondern zu völlig zufälligen Zeitpunkten bzw. Phasen des Rhythmus abgefeuert“, erklärt Ponomarenko. „Dadurch werden einzelne Aktionspotenziale unterdrückt und es kommt zu einem Ungleichgewicht zwischen verschiedenen Aktivitätsmustern in den Nervenzellen.“

15 Mikrometer dünne Silikon-Elektroden, die im Hippocampus der Nager implantiert worden waren, lieferten zusammen mit optogenetischen Untersuchungen die spannenden Einblicke ins Gehirn. Die amerikanischen Kollegen konnten darüber hinaus zeigen, dass der fehlende KCNQ3-Kanal zu einer starken Reduktion der Kaliumströme (hier M-Strom) in den Nervenzellen führte. „Obwohl die bisher verfügbaren Daten für eine klinische Anwendung nicht ausreichen, lassen unsere Erkenntnisse vermuten, dass die KCNQ3-Kanäle ein potenzielles Ziel für die zukünftige Erforschung von Medikamenten gegen Alzheimer- und anderen Demenzen sein könnten“, betont Prof. Ponomarenko, „zumindest im frühen Stadium, wo die Ortszellen wahrscheinlich noch vorhanden sind, aber die cholinerge Neuromodulation schon nachgelassen hat.“ Weitere Untersuchungen sollen nun folgen, um die Rolle von KCNQ3 im Gehirn noch besser zu verstehen.

Publikation:

Xiaojie Gao, Franziska Bender, Heun Soh, Changwan Chen, Mahsa Altafi, Sebastian Schütze, Matthias Heidenreich, Maria Gorbati, Mihaela-Anca Corbu, Marta Carus-Cadavieco, Tatiana Korotkova, Anastasios Tzingounis, Thomas J Jentsch, Alexey Ponomarenko
Place fields of single spikes in hippocampus involve Kcnq3 channel-dependent entrainment of complex spike bursts
Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-021-24805-2, https://www.nature.com/articles/s41467-021-24805-2

Bei einer Paarung von Wildtieren überträgt ein Männchen Millionen von Spermien in den weiblichen Fortpflanzungstrakt. Auf dem Weg zur Eizelle müssen die Spermien den weiblichen Genitaltrakt passieren. Bei dieser Passage sinkt die Anzahl der Spermienzellen, die weiterkommen, dramatisch ab, nur wenige kommen in Reichweite der Eizelle(n). Die wenigen erfolgreichen Spermien werden dann auf die Befruchtung vorbereitet. Die Mechanismen, die dieser Selektion und somit dem Fortpflanzungserfolg zugrunde liegen, sind immer noch weitgehend unverstanden, da ihre experimentelle Untersuchung im lebenden Zustand aus ethischen und praktischen Gründen kaum möglich ist. Ein besseres Verständnis von Spermienmigration und -selektion im Kontext unterschiedlicher Fortpflanzungssysteme bei Wildtieren ist von großem Interesse, um Probleme zu erkennen sowie Techniken der assistierten Fortpflanzung wie die künstliche Besamung zu optimieren.

Das Wissenschaftsteam entwickelte ein Raum-Zeit-Modell des weiblichen Genitaltraktes, in dem sich die Spermien als individuelle Agenten mit spezifizierten Eigenschaften nach definierten Regeln bewegen und mit dem weiblichen Genitaltrakt in Wechselwirkung treten. So wurde die Spermien-Migration als Computersimulation untersucht. Die Geometrie des weiblichen Genitaltrakts sowie die biophysikalischen Prinzipien der Spermienbewegung, wie sie im Reagenzglas beobachtet werden können, also die Eigenschaften und „Verhaltens“-Regeln, die den Spermien zugeschrieben wurden, lehnten sich eng an das Fortpflanzungssystem der Rinder an. So schwimmen Spermien bevorzugt gegen einen Flüssigkeitsstrom (positive Rheotaxis) und bewegen sich entlang von Wandstrukturen (Thigmotaxis).

Um sicher zu stellen, dass das Modell lebensnah die tatsächlichen Bewegungen der Spermien abbildet, wurden die Ergebnisse aus der Simulation mit publizierten Daten, die von lebenden Tieren stammen, verglichen. Es stellte sich heraus, dass beispielsweise die beobachtete Anzahl an Spermien, die in einer bestimmten Zeit den Eileiter erreichen, mit der in den Simulationen produzierten Anzahl übereinstimmte.

„Wie erwartet, fanden wir, dass physikalische Eigenschaften wie die Geschwindigkeit und die Geradlinigkeit der Spermienbewegung für erfolgreiche Spermien wesentlich sind. Allerdings hat die Fähigkeit der Spermien, gegen den Strom des Sekrets des Gebärmutterhalses zu schwimmen sowie sich an den Wänden des Genitaltrakts entlang zu bewegen, einen enormen zusätzlichen Einfluss für eine erfolgreiche Migration“ erklärt Jorin Diemer, Doktorand an der Humboldt-Universität zu Berlin. Karin Müller, Leiterin des andrologischen Labors am Leibniz-IZW, schlussfolgert, „dass diese identifizierten Eigenschaften künftig bei der Konditionierung von Spermien in Verfahren der künstlichen Fortpflanzung berücksichtigt werden müssen, bei denen natürliche Selektionsprozesse normalerweise umgangen werden.“ Das ist besonders wichtig, da es artspezifisch ein optimales Zeitfenster für die Ansammlung von Spermien im Eileiter mit Bezug zum Zeitpunkt des Eisprungs gibt, wo die Eizellen zur Befruchtung freigesetzt werden. „Der große Vorteil unseres Modells ist seine Ausbaufähigkeit“, unterstreicht Edda Klipp, Professorin für Theoretische Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin. Vorhersagen, die in diesem experimentellen System der Computersimulation generiert werden, haben das Potenzial, die assistierte Fortpflanzung bei bedrohten Tierarten, Nutztieren und beim Menschen zu verbessern, ohne dass Tierversuche zum Einsatz kommen.

Publikation

Jorin Diemer, Jens Hahn, Björn Goldenbogen, Karin Müller, Edda Klipp (2021): Sperm migration in the genital tract – in silico experiments identify key factors for reproductive success. PLOS Computational Biology. https://journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1009109 (Link wird nach Ablauf des Embargos freigeschaltet)

Für die Umsetzung erfolgreicher Wildtiermanagement-Strategien ist die Unterstützung der lokalen Bevölkerung erforderlich, doch die Beziehung zwischen der Bevölkerung vor Ort und großen Raubtieren ist oft komplex: Einerseits gelten die Tiere als charismatisch und emotional anziehend und haben oft eine hohe kulturelle Bedeutung. Daher wurde vermutet, dass naturschutzorientierte Managementstrategien dann erfolgreich sind, wenn sie mit positiven Emotionen wie Freude oder Stolz verbunden sind. Dies gilt auch für die kulturelle Bedeutung von großen Raubtieren wie Hyänen, Löwen oder Leoparden. Auf der anderen Seite wurden negative Emotionen wie Angst und Ekel sowie negative Erfahrungen wie wiederholte Risse von Nutztieren – der traditionelle Fokus der Mensch-Raubtier-Konfliktforschung – vorgeschlagen, um die Akzeptanz von invasiven Maßnahmen wie Umsiedlung und Abschuss vorherzusagen. Frühere Untersuchungen betrachteten Emotionen, kulturelle Bedeutung und faktische Verluste separat. So war es bislang nicht möglich zu sehen, welcher Faktor die beste Vorhersagekraft hat und welcher daher von Wildtiermanagern priorisiert werden sollte.

„Wir haben in unserer Untersuchung zum ersten Mal mehrere Faktoren gleichzeitig für mehrere Raubtiere bewertet, um festzustellen, welcher Faktor die Akzeptanz von häufig angewandten Managementstrategien am besten vorhersagt“, erklärt Erstautor Arjun Dheer (Leibniz-IZW). Die Befragungen zu Tüpfelhyänen (Crocuta crocuta), Löwen (Panthera leo) und Leoparden (Panthera pardus) unter Massai-Hirten wurden im Ngorongoro-Schutzgebiet (NCA) in Tansania durchgeführt. „Das NCA ist ein Schutzgebiet, das in seinem Managementplan sowohl den Schutz der Wildtiere als auch die Lebensgrundlage der lokalen Bevölkerung berücksichtigt“, so Dheer. „Die von uns ausgewählten Arten sind für die Mehrzahl der Verluste an Nutztieren in der Region verantwortlich, doch frühere Forschungen in anderen Gebieten zeigten, dass die Menschen sie sehr differenziert betrachten“, erklärt Dr. Oliver Höner (Leibniz-IZW), Co-Senior-Autor der Arbeit. Die Untersuchung konzentrierte sich auf die Akzeptanz der Strategien Nichtstun (Schutz der Raubtiere gilt weiterhin), Umsiedlung und Abschuss. Die Befragten bewerteten die Emotionen Freude, Ekel und Angst sowie die kulturelle Bedeutung der einzelnen Raubtierarten. Sie wurden auch um Angaben dazu gebeten, wie viele Rinder, Ziegen, Schafe und Esel sie in den vorangegangenen drei Jahren an die Raubtiere verloren hatten.

Das zentrale Ergebnis der Umfrage ist, dass Emotionen und die kulturelle Bedeutung die Akzeptanz bestimmter Managementstrategien zuverlässiger vorhersagen als die Höhe der Verluste an Nutztieren. „Unter den Emotionen war Freude der stärkste Prädiktor; sie war verbunden mit einer Präferenz für Nichtstun und einer negativen Bewertung von Umsiedlung und Abschuss. Die kulturelle Bedeutung zeigte einen ähnlichen Trend wie die Freude“, erklärt Dheer. Insgesamt lehnte eine große Mehrheit der Befragten Umsiedlung und Abschuss ab. „Dies zeigt, dass diejenigen Wissenschaftler*innen auf dem Holzweg sind, die sie sich bei der Erstellung von Managementplänen für Raubtiere allein auf Risse, Verluste und negative Emotionen konzentrieren“, erklärt Co-Senior-Autorin Dr. Tanja Straka (Leibniz-IZW und TU Berlin).

„Unsere Ergebnisse untermauern die Rolle von Emotionen, Wahrnehmungen und Sichtweisen in der Beziehung von Menschen und Wildtieren“, schließt Dheer. Die traditionelle Betonung der Viehverluste als primäre Ursache fehlender Toleranz gegenüber großen Raubtieren stellen die Autor*innen in Frage: Es sei offensichtlich, dass Emotionen und die kulturelle Bedeutung berücksichtigt werden müssen, auch bei Arten, die mit sehr unterschiedlichen Assoziationen belegt sind. Mehrgleisige Ansätze, die Emotionen und kulturelle Faktoren neben den Zahlen und Fakten zu Verlusten berücksichtigen und die lokale Bevölkerung eng einbinden, können demnach helfen, den Weg für eine dauerhafte Koexistenz von Menschen und Raubtieren zu ebnen.

Publikation

Dheer A, Davidian E, Jacobs MH, Ndorosa J, Straka TM^†, Höner OP^† (2021): Emotions and cultural importance predict the acceptance of large carnivore management strategies by Maasai pastoralists. Frontiers in Conservation Science. doi: 10.3389/fcosc.2021.691975, https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcosc.2021.691975/full.

^†co-senior authors

Es ist eine große Herausforderung, die Reservoire von Wildtierviren wie SARS-CoV-2 – für welches der Ursprung noch immer unbekannt ist – zu finden und zu überwachen. Viele Gebiete, die von Wildtieren bewohnt werden, sind schwer zugänglich und die betreffenden Arten schwer zu finden oder zu fangen. Um Pandemien wie COVID-19 in Zukunft zu verhindern, werden also dringend neue und effektive Methoden zur Entdeckung und Überwachung von in Wildtieren zirkulierenden Viren benötigt. Neue Ansätze, die auf Umwelt-DNA (eDNA) basieren, könnten in Verbindung mit Hochdurchsatz-Sequenzierung das verfügbare Instrumentarium erweitern, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Diesen Ansatz testete das Wissenschaftsteam mithilfe von Wasserproben aus Wasserlöchern und Proben von Blutmahlzeiten von Blutegeln, um darin nach Viren von Säugetieren zu suchen, die möglicherweise ins Wasser ausgeschieden oder von den Blutegeln aus den Säugetierwirten aufgenommen worden waren. Da Viren-DNA in Umweltproben üblicherweise von geringer Quantität und Qualität ist, verwendeten die Wissenschaftler*innen einen modernen „Hybridisierungs-Bindung“-Ansatz, um die Viren-DNA anzureichern. Diese Methode erlaubte es ihnen, sowohl bekannte also auch bisher unbekannte Viren im Wasser wie in den Blutegelproben nachzuweisen und zu identifizieren.

Die DNA aus Wasserproben zeigte mehrere Viren auf, die bei Zebras und Wildeseln vorkommen. Dies war zu erwarten, da diese Tiere die Wasserlöcher häufig in großer Zahl besuchen. Im Fall der Viren, die in afrikanischen Wasserlöchern gefunden wurden, zeigten die Autoren in einer vorangegangenen Publikation, dass die Viren auch im Wasser noch immer infektiös sind, was darauf hindeutet, dass das Wasser selbst die Viren übertragen könnte. In den Blutegeln aus Südostasien wurden mehrere bekannte sowie neuartige Viren identifiziert. Von besonderem Interesse ist ein bisher unbekanntes Coronavirus, welches möglicherweise eine neue Gattung in der Familie der Coronaviridae darstellt und mit Hirscharten assoziiert zu sein scheint.

„Bei vielen der tödlichsten Viren wie Ebola ist ihr genauer Ursprung noch immer unbekannt“, sagt Prof. Alex Greenwood, Leiter der Abteilung für Wildtierkrankheiten. „Die aktuelle Pandemie zeigt, dass wir noch sehr wenig über die virale Vielfalt in der Natur wissen. Neue Methoden könnten uns helfen, bisher unbekannte Viren und ihre potenziellen Wirte zu identifizieren ¬– ohne die üblichen logistischen und ethischen Probleme, die mit der direkten Entnahme von Wildtierproben verbunden sind.“ Umwelt-DNA wurde bereits für viele wissenschaftliche Fragestellungen verwendet. So konnte zum Beispiel die biologische Vielfalt in unzugänglichen Regionen erfasst werden. Neuerdings dienen diese Umwelt-DANN-Quellen somit auch der Pathogenforschung. Umwelt-DNA aus Wasser und von blutsaugenden wirbellosen Tieren kann in verschiedenen Umgebungen nützlich sein. „Wasser ist eine essenzielle Ressource für das Leben und, besonders in Gebieten mit saisonaler Trockenheit, ein Konzentrationspunkt für Tiere“, sagt Greenwood.

„An Land lebende Blutegel sind in Gebieten in Südostasien, in den schon früher häufig neue Viren entdeckt wurden, sehr häufig. Ihre Blutmahlzeiten können sowohl zur Identifizierung ihrer Säugetierwirte als auch der im Säugetierblut enthaltenen Erreger verwendet werden“, erläutert Dr. Niccolò Alfano, ein ehemaliger Postdoktorand der Abteilungen für Wildtierkrankheiten und Ökologische Dynamik am Leibniz-IZW, der jetzt an der Universität Pavia in Italien arbeitet. „In den Blutegelproben identifizierten wir Säugetierviren aus fünf verschiedenen Virusfamilien und über 50% der Proben enthielten nachweisbare Säugetierviren. Einige davon, wie ein Circovirus oder ein Annellovirus, konnten dem Bartschwein und dem Malaienbär zugeordnet werden, ihren Säugetierwirten, die auch in den Blutegelproben nachgewiesen wurden. Am interessantesten war die Entdeckung eines neuartigen Coronavirus, da dies zeigte, dass wir mit unserer Methode in der Lage sind, bisher unbekannte virale Erreger zu entdecken, die in Wildtieren zirkulieren“, so Alfano weiter. Dies kann helfen, potenziell infektiöse Viren in einem frühen Stadium zu identifizieren und somit einen entscheidenden Beitrag dafür zu leisten, zukünftige Epidemien zu verhindern.

Um die neu entdeckten Viren zu charakterisieren, zum Beispiel durch die Sequenzierung ihrer kompletten Genome und die Bestätigung der Wirtsvirusbeziehungen, ist weiterführende Forschung nötig. Wo es keine Wasserlöcher oder Blutegel gibt, könnten der Boden (oder Sedimente in ausgetrockneten Flussläufen), Fäkalien und andere blutsaugende Insekten weitere Quellen für Nukleinsäuren darstellen, die als Ergänzung zu direkten Tierproben verwendet werden könnten. Dies könnte die Fähigkeit verbessern, Viren zu entdecken und zu überwachen.

Publikation

Alfano N, Dayaram A, Axtner, J. Tsangaras, K. Kampmann, M.-L., Mohamed, A., Wong, S.T., Gilbert, M.T.P. Wilting, A., Greenwood, A. D. (2021). Non-invasive surveys of mammalian viruses using environmental DNA. METHODS ECOL EVOL, https://doi.org/10.1111/2041-210X.13661