Susanne Schreiber: Wenn Nervenzellen im Gleichtakt schwingen

Susanne Schreiber hat nicht nur den Bernstein-Preis des BMBF gewonnen, sondern war 2007 unter den ersten Preisträgerinnen des deutschen Unesco-L'Oréal-Förderprogramms.

Quelle: L'Oreal Deutschland

„Mathematik und Neurobiologie haben mich schon in der Schule am meisten interessiert“, erinnert sich Susanne Schreiber an ihre Gymnasialzeit. Die Kombination ihrer Lieblingsfächer wird der Nachwuchswissenschaftlerin ein faszinierendes Forschungsgebiet erschließen: die Computational Neuroscience. Für die Konsequenz, mit der sie seither neuronale Prozesse erforscht und anhand mathematischer Modelle zu verstehen sucht, wurde sie 2008 vom BMBF mit dem international ausgeschriebenen Bernstein Preis ausgezeichnet.

In Deutschland ist die junge Disziplin der Computational Neuroscience noch so gut wie unbekannt, als Susanne Schreiber 1995 nach dem Abitur ein Studienfach sucht. Schließlich schreibt sie sich an der Humboldt-Universität Berlin für Biophysik ein – der einzigen deutschen Hochschule, die das Fach damals anbot. Wenig später zeigt sich, wie gut sie es mit dieser Wahl getroffen hat: Die Deutsche Forschungsgemeinschaft gründet an der HU ein Innovationskolleg für Theoretische Biologie, das auch eine Gruppe für Theoretische Neurobiologie umfasst. „Dort konnte ich noch besser meinen Neigungen nachgehen“, so Schreiber.

Wie viele Ionenkanäle sollte eine Zelle haben?

Diese Neigungen sind hochspezifisch. Susanne Schreiber interessiert sich für die molekularen Eigenschaften einzelner Nervenzellen. Denn ob und wie ein Neuron aktiv wird – sprich: Signale in Form elektrischer Impulse weiterleitet –, hängt davon ab, wie gut elektrisch geladene Teilchen in die Zelle hinein- oder aus ihr herausgelangen. Die Passage wird von komplexen Molekülen – sogenannten Ionenkanälen – geregelt, die in der Zellmembran verankert sind und deren Durchlässigkeit kontrollieren. „Während des geöffneten Zustands dieser Kanäle brauchen die Nervenzellen sehr viel Energie. Sie müssen also äußerst effizient arbeiten“, erklärt Schreiber. In ihrer Diplomarbeit – sie ging dazu nach Cambridge ins Labor von Simon Laughlin – stellt sie sich folgende Frage: Wie viele Ionenkanäle sollte eine Nervenzelle haben, wenn sie über eine begrenzte Menge an Energie verfügen kann – und mit welchen Wahrscheinlichkeiten sollte sie diese öffnen? Das mathematische Modell, mit dem sie nach Antworten suchte, ging dabei von sehr einfachen Grundannahmen aus. Lebende Nervenzellen sind aber weitaus komplizierter. Sie leiten einen Impuls nur weiter, wenn ihre anfangs negative Membranspannung durch entsprechende Ionenflüsse auf einen positiven Schwellenwert angehoben wird. Wie das geschieht, hängt von den Eigenschaften ihrer Ionenkanäle ab.

Jede Nervenzelle hat eine Lieblingsfrequenz

Damit beschäftigte sich Schreiber in ihrer Doktorarbeit. „Ich wollte wissen, wie sie sich auf das Timing und die Zuverlässigkeit der Erregungsleitung auswirken.“ Einen Teil der Arbeit kann sie am Sloan-Swartz Center des Salk Institute for Biological Studies in Kalifornien durchführen – bei Terrence Sejnowski, der zu den Pionieren der Computational Neuroscience zählt. 2004 wird die 28-Jährige von Andreas Herz am Institut für Theoretische Biologie der Humboldt-Universität Berlin promoviert. „Ich hatte Glück, dass damals gerade das Bernstein Netzwerk aufgebaut wurde und ich gleich in einem Verbundprojekt im Bernstein-Zentrum Berlin mitarbeiten konnte“, erzählt die Forscherin. Wieder entwirft sie Computermodelle, um das Verhalten von Ionenkanälen zu studieren. Denn Art und Anzahl dieser molekularen Schleusen entscheiden darüber, wie individuelle Neurone auf die Signale benachbarter Zellen reagieren: Einige Nervenzellen geben in kurzer Folge ganze Salven von Impulsen ab, andere senden in regelmäßigen Abständen. Außerdem hat jedes Neuron eine Art Lieblingsfrequenz, bei der es – das zeigen Susanne Schreibers Modellrechnungen – besonders präzise arbeitet. Die Wissenschaftlerin ist überzeugt, dass diese Eigenschaften einzelner Neuronen auch die Funktion neuronaler Netzwerke im Gehirn prägen: „Nur wenn die Einzelzelle präzise reagieren kann, ist auch das Netzwerk dazu fähig.“

Wie werden Ionenkanäle durch Lerne beeinflusst?

Tatsächlich müssen größere Gruppen von Neuronen ihr rhythmisches Verhalten abstimmen und in eine kollektive Oszillation geraten, damit wir Erinnerungen speichern oder unser Kurzzeitgedächtnis zur Erkundung einer neuen Umgebung einsetzen können. Doch wie entstehen solche synchronen Schwingungen? „Man weiß, dass die Synchronizität von der Verschaltung der Nervenzellen abhängt“, so Schreiber, „doch vermutlich nehmen auch individuelle Eigenschaften der Zellen entscheidenden Einfluss. Wie sie das tun, möchte ich herausfinden.“ Dazu baut die Bernstein-Preisträgerin – inzwischen Mutter zweier Töchter – in Berlin nun ihr eigenes Forschungsteam auf. Großen Wert legt sie auf die enge Zusammenarbeit mit Experimentatoren. „Meine Arbeit ist reine Grundlagenforschung, aber sie hat starke Bezüge zu anwendungsrelevanten Themen“, betont Susanne Schreiber, „zum Beispiel wirken einige Medikamente auf bestimmte Ionenkanäle ein und beenden dadurch die krankhaften Synchronisierungszustände bei Epileptikern.“ Mit Spannung blickt die Nachwuchswissenschaftlerin auf ein weiteres Forschungvorhaben, das ab Sommer 2009 im Rahmen der BMBF-Initiative „Bernstein Fokus: Neuronale Grundlagen des Lernens“ gefördert wird: „Darin will ich untersuchen, wie die Ionenkanäle durch Lernvorgänge beeinflusst werden.“

Dieser Text ist ein Auszug aus der BMBF-Broschüre "Impulsgeber Lebenswissenschaften"

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