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Verantwortlich: Prof. K. Zilles, IME, k.zilles@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Der Bereich Neurowissenschaften konzentriert sich auf:

• Das Verstehen der Funktionsmechanismen von Proteinen auf der Basis ihrer Struktur und Dynamik .
• Untersuchungen zum Verständnis der zellulären Signalverarbeitung, insbesondere bei Sinnes- und Nervenzellen, aber auch in Spermien.
• Entwicklung und Evaluierung medizinisch relevanter Radioisotope und von Radiopharmaka zur emissionstomographischen Messung molekularer Vorgänge im menschlichen Gehirn.
• Untersuchungen zur zerebralen Repräsentation und den neuralen Mechanismen motorischer, sensorischer und kognitiver Hirnfunktionen mit dem Ziel, Struktur-Funktionsbeziehungen im gesunden und kranken menschlichen Gehirn besser zu verstehen und neue Therapiemöglichkeiten zu entwickeln.

Wichtige Ergebnisse im Jahr 2003

• Ein bemerkenswerter Fortschritt gelang bei der Bestimmung von Struktur und Orientierung von Membranprotein-gebundenen Peptiden mittels hochauflösender Flüssig-NMR-Spektroskopie am Beispiel eines Fragments aus dem G-Protein Transducin im Komplex mit seinem Rezeptor basierend auf transferierten dipolaren Kopplungen und transferierten NOEs.
• Spiegelbild-Phagendisplays wurden angewendet zur Identifikation eines kleinen D-Aminosäure-Peptids, das spezifisch an "Alzheimer"-Amyloid-Plaques bindet und deshalb für die Echtzeit-Detektion der Amyloid-Plaque-Belastung im lebenden Gehirn geeignet sein könnte.
• Unter Ausnutzung des Verstärkungseffektes einer modifizierten Goldoberfläche war es möglich, Infrarot-Differenz-Spektra eines Proteinmonolayers aus Cytochrom C aufzunehmen.
• Eine Form der Farbenblindheit wird verursacht durch Mutationen in Genen, die für CNG-Kanäle kodieren.
• Die Ca²⁺-Regulation des Cl^--Rezeptorstroms in Riechzellen wurde analysiert.
• Es wurde ein fluoreszenz-optisches Meßverfahren entwickelt, um Konformationsdynamik von Biomolekülen (Peptiden) mit Nanosekunden-Zeitauflösung zu messen.
• Es wurde ein neues Verfahren entwickelt, um die 3-dimensionale Orientierung einzelner fluoreszierender Moleküle zu bestimmen.
• Für Studien zur Verteilung zerebraler Adenosinrezeptoren im lebenden menschlichen Gehirn mittels [¹⁸F]CPFPX und PET wurde ein Quantifizierungsverfahren entwickelt und in Studien an Probanden und Patienten eingesetzt.
• Ein neues Anpassungsverfahren für 2- und 3D MR- und histologische Datensätze des menschlichen Gehirns, basierend auf einem Multiskalen - Ansatz und einem elastischen Modell, wurde entwickelt.
• Die probabilistischen Wahrscheinlichkeitskarten von 27 kortikalen Arealen (z.B. motorische, sensorische, auditorische, visuelle, Sprach-bezogene), der Amygdala mit 11 Unterkernen sowie von 10 Faserbahnen wurden in einen weiteren Referenzraum transformiert und stehen nun für den direkten Struktur-Funktionsvergleich im Rahmen von SPM - Auswertungen zur Verfügung.
• Es wurde ein neues kortikales Areal im ventrolateralen Frontalhirn rezeptor- und zytoarchitektonisch beschrieben, dass als Korrelat einer funktionell definierten Hirnregion, die mit der Verarbeitung von Aufgabenrepräsentationen in Verbindung steht, interpretiert wird.
• Es gelang erstmals der Nachweis, dass die kognitive Kontrolle über Hirnhälftenspezifische Leistungen wie Sprache (linke Hirnhälfte) oder räumliches Verarbeiten (rechte Hirnhälfte) im Bereich des anterioren Cingulums der gleichen Hemisphäre ausgeübt wird und dass hirnhälftenspezifische Leistungen nicht vom Charakter des Stimulus-Material abhängen, sondern von der Art und Weise, wie eine bestimme Aufgage gelöst wird.
• Die neuralen Grundlagen der galvanischen Neglect-Therapie konnten erfaßt werden mit dem Nachweis von erhöhter neuraler Aktivität im rechten inferioren Parietalkortex während der Durchführung einer visuell-räumlichen Beurteilungsaufgabe unter gleichzeitiger galvanischer Reizung des Vestibularapparates.
• Ein neues behaviorales Therapieverfahren zur Behandlung von Neglect-Patienten konnte evaluiert werden und es gelang nachzuweisen, dass eine Verbesserung des Neglect-Verhaltens der trainierten Patienten auch noch nach Absetzen der Therapie langfristig erzielbar ist.
• Für die Therapie von Patienten mit M. Parkinson, essentiellem Tremor und Epilepsie wird ein bedarfsgesteuerter Hirnschrittmacher zur schnellen Desynchronisation mittels Mehrelektroden-Stimulation entwickelt, der im Vergleich zur Standard-Dauerstimulation milder wirkt und Strom spart.
• Die Synchronisations- und Phase resetting-Tomographie wurden entwickelt und zeigten in ersten Studien zur frühen visuellen Verarbeitung u.a., dass Hirnareale zwischen unterschiedlichen Reizantworten hin- und herschalten können, was mit Standard-Mittelungsverfahren übersehen wird.
• Erstmalig konnte ein stereoselektiv bevorzugter Transport einer D-Aminosäure, D-cis-4-[F-18]Fluorprolin, ins menschliche Gehirn beobachtet werden. D-Aminosäuren werden als Modulatoren exzitatorischer Neurotransmittersysteme diskutiert.
• Kerndatenmessungen zur Produktion der Positronenstrahler ¹⁴O, ⁶⁴Cu und ⁷⁶Br sowie zur Aktivierung des Gewebes bei der Protonentherapie wurden ver-vollständigt.
• Durch Umsetzung von unsymmetrischen Methoxyphenylthiophen-2-yliodonium Salzen gelangt die trägerarme ¹⁸F-Markierung elektronenreicher Anisole mit trägerarmem [¹⁸F]Fluorid.
• Eine elektrochemische Zelle, die eine vereinfachte Separation von [¹⁸F]Fluorid und [¹⁸O]Wasser ermöglicht, wurde in die Routineproduktion von trägerarmen PET-Radiotracern integriert.
• Mit 5'-(Methyl[⁷⁵Se]seleno)-N⁶-cyclopentyladenosin konnte erstmals ein radio-selenierter Rezeptorligand über eine neuentwickelte Markierungsmethode her-gestellt werden, der eine hohe Affinität zum Adenosin-A₁-Rezeptor besitzt.
• Die Entwicklung potentieller ¹⁸F-markierter DAT-Liganden umfasst die Herstellung des neuen Tracers "CIT-Amid". Die Radiosynthese des [¹⁸F]FP-CIT-Derivats wurde automatisiert und seine selektive Anreichung im menschlichen Striatum bestätigt.
• Am PET konnte die Listmode-Akquisition für den Routineeinsatz bei Rezeptormessungen implementiert werden. Darauf aufbauend wurden die Entwicklung zur Bewegungskorrektur bei Hirn-PET-Messungen fortgeführt.
• Es wurde eine neue Methode zur quantitativen Wasseranteilsbestimmung in vivo mittels MRT entwickelt. Ergebnisse anhand Phantommessungen deuten auf eine Genauigkeit von besser als 2% hin.
• Mit einem 4T MR-Tomographen konnten räumliche Natriumdichteverteilungen in einer Aufnahmezeit unter 2 Minuten quantitativ abgebildet werden.
• Ein hochauflösendes PET-System für Hirnstudien bei kleinen Primaten und Ratten, kurz ClearPET™ Neuro, befindet sich in der Phase der Endmontage, nachdem erste Testmessungen mit den neuartigen LSO/LuYAP Kristalldoppelschicht-Detektoren durchgeführt wurden.
• Die Aufrüstung konventioneller SPECT-Kameras mit Multi-Pinhole-Kollimatoren liefert eine mehr als 10fach höhere Empfindlichkeit gegenüber herkömmlichen Parallellochkollimatoren und eine rekonstruierte Auflösung von 1.2mm.
• Erstmalig ist die simultane Registrierung und online Phasenanalyse der Signale der Mikroelektroden (Einzelzellaktivität) und der Makroelektroden (lokales Feldpotential) während der Implantation von Tiefenhirnelektroden erfolgreich durchgeführt worden.
• Für die effizientere Umsetzung der biophysikalischen Modelluntersuchungen von Populationen gekoppelter Neurone wurde ein flexibles Echtzeitsystem entwickelt.