Forschung

In der Arbeitsgruppe von Prof. Heiko J. Luhmann bearbeite ich Fragestellungen zur zellulären Physiologie und zur Pathophysiologie des unreifen zerebralen Kortex. Außerdem interessiert mich die Rolle von Netzwerkaktivität während der frühen kortikalen Entwicklung. Desweiteren habe ich die Effekte des extra- und intrazellulären pH-Werts auf die synaptische Übetragung untersucht. Zur Untersuchung dieser Frage- stellungen verwende ich überwiegend elektrophysiologische Messmethoden, nutze aber auch mikrofluorimetrische, immuncytochemische und molekular- biologische Methoden.	Dr. Werner Kilb
Zelluläre Physiologie des unreifen Kortex
Morphologie verschiedener Neurone im unreifen Kortex. DIC-Aufnahme einer Cajal-Retzius Zelle (A), von undifferenzierten (B) und differenzierten (C) Pyramidenzellen und von subplate Neuronen (D)(aus: Luhmann et al. 2000).	Kortikale Neurone entstehen in der Ventrikulär- zone und erreichen ihre endgültige Position durch eine radiale Migration entlang glialer Fortsätze. Wenn die migrierenden Neurone die oberflächliche Marginalzone erreicht haben, beenden sie die Migration und beginnen sich zu differenzieren. Außerdem treten während der Entwicklung im cerebralen Kortex transiente Zellpopulationen auf. In der Marginalzone finden sich Cajal-Retzius Zellen, die eine wichtige Rolle in der Terminierung der neuronalen Migration spielen. An Grenze zwischen den kortikalen Schichten und der weißen Substanz finden sich subplate Neuronen, die eine wichtige Rolle bei der Bildung organisierten Verbindungen zwischen Kortex und Thalamus spielen.
Schwerpunkt unserer Untersuchungen sind die elektrophysiologischen Eigenschaften der beiden transienten Zellpopulationen, insbesondere die Ausstattung dieser Neurone mit verschiedenen Neurotransmitter-Rezeptoren und die Integration dieser Neuronen in frühe synaptische Netzwerke. Außerdem interessieren wir uns, in wie weit Differenzierungsprozesse mit Veränderungen der funktionellen Eigenschaften von Neuronen einhergehen.	Membranantworten einer unreifen Pyramidenzelle (links) und einer Cajal-Retzius Zelle (rechts)auf de- und hyperpolarisierende Strominjektionen (aus: Okabe et al. 2004).
Glyzin löst in Cajal-Retzius Zellen eine Membrandepolarisation aus und inhibiert eine Aktionspotentialauslösung (aus: Kilb et al., 2003).	Ein zentraler Punkt unserer Untersuchungen sind dabei die Mechanismen und funktionellen Konsequenzen der Cl^- -Regulation in unreifen Neuronen. Während GABA und Glyzin in den meisten ausgereiften Neuronen eine Membran-hyperpolarisation bewirken, lösen diese beiden Neurotransmitter im unreifen Nervensystem eine Membrandepolarisation aus, höchswahrscheinlich aufgrund einer erhöhten Cl^--Konzentration in diesen Neuronen . Daher untersuchen wir, welche Transportprozesse zur Cl^- -Homöostase im unreifen Nervensystem beitragen und wie diese Transporter reguliert werden. Außerdem versuchen wir aufzuklären ob diese Membran-depolarisation erregend wirkt und unter welchen Bedingungen sie auch eine Hemmung vermitteln kann.
*Zugehörige Publikationen:* Kolbaev, S., Achilles, K., Luhmann, H.J. & Kilb, W. (2011) Effect of depolarizing GABAa -mediated membrane responses on the excitability of Cajal-Retzius cells in the immature rat neocortex. J. Neurophysiol. 106: 2034-2044 Kolbaev, S., Luhmann, H.J. & Kilb, W. (2011) Activity-dependent scaling of GABAergic excitation by dynamic Cl- changes in Cajal-Retzius cells. Pfluegers Archiv - European Journal of Physiology 461: 557-565. Sava, B.A., David, C.S., Teissier, A., Pierani, A., Staiger, J.F., Luhmann, H.J. & Kilb, W. (2010) Electrophysiological and morphological properties of Cajal-Retzius cells with different ontogenetic origins. Neuroscience 167: 724-734 Kilb, W., Hanganu, I.L., Okabe, A., Sava, B.A., Shimizu-Okabe, C., Fukuda, A., Luhmann, H.J. (2008) Glycine Receptors Mediate Excitation of Subplate Neurons in Neonatal Rat Cerebral Cortex. J. Neurophysiol Epub ahead of Print Shimizu-Okabe, C., Okabe, A., Kilb, W., Sato, K., Luhmann, H.J. & Fukuda, A. (2007) Changes in the expression of cation-Cl - cotransporters, NKCC1 and KCC2, during cortical malformation induced by neonatal freeze-lesion. Neuroscience Research 59: 288-295 Achilles K., Okabe A., Ikeda M., Shimizu-Okabe C., Yamada J., Fukuda A., Luhmann H.J. & Kilb W.(2007) Kinetic properties of Cl^- uptake mediated by Na⁺-dependent K⁺-2Cl^--cotransport in immature rat neocortical neurons J. Neurosci. 27:8616-8627 Kilb W., Sinning A. & Luhmann, H.J. (2007) Model-specific effects of bumetanide on epileptiform activity in the invitro intact hippocampus of the newborn mouse Neuropharmacology 53: 524-33 Yamada, J., Okabe, A., Toyoda, H., Kilb, W., Luhmann, H.J. & Fukuda, A. (2004) Cl- uptake promoting depolarizing GABA actions in immature rat neocortical neurones is mediated by NKCC1. J. Physiol. (Lond.) 557: 829-841. #105 Okabe, A., Kilb, W., Shimizu, C., Hanganu, I.L., Fukuda, A., Luhmann, H.J. (2004) Homogenous glycine receptor expression in cortical plate neurons and Cajal-Retzius cells of neonatal rat cerebral cortex. Neuroscience 123: 715-724. # 100 Shimizu-Okabe, C., Yokokura, M., Okabe, A., Ikeda, M., Sato, K., Kilb, W. Luhmann, H.J., Fukuda, A. (2002) Layer-specific expression of Cl- transporters and differential [Cl-]i in newborn rat cortex. NeuroReport 13:2433-2437. #089 Hanganu, I.L., Kilb, W. & Luhmann, H.J. (2002) Functional synaptic projections onto subplate neurons in neonatal rat somatosensory cortex J. Neurosci. 22:7165-76. # 087 Kilb, W., Ikeda, M., Uchida, K., Okabe, A., Fukuda, A. & Luhmann, H.J. (2002) Depolarizing glycine responses in Cajal-Retzius cells of neonatal rat cerebral cortex Neuroscience 112: 299-307. # 085 Luhmann, H.J., Reiprich, R.A., Hanganu, IL., Kilb, W. (2000) Cellular physiology of the neonatal rat cerebral cortex: intrinsic membrane properties, sodium and calcium currents J Neurosci Res.62: 574-584. # 070
Pathophysiologie des unreifen Kortex
Im Gegensatz zu Kontrolltieren (A) zeigen Neurone in Kortices in denen die Migration durch den NMDA-Antagonisten MK-801 beeinflußt wurde (B) eine veränderte Morphologie und übermäßige synaptische Eingänge (aus: Reiprich et al. 2004).	Eine Vielzahl von neurologische Erkrankungen können auf Strukturveränderungen des zerebralen Kortex zurückgeführt werden, die ihre Ursache in Störungen der kortikalen Entwicklung haben. Zum Verständniss der Mechanismen dieser Entwicklungsstörungen induzieren wir fokale Migrationsstörungen und untersuchen die Effekte der dadurch ausgelästen Veränderungen von funktionellen und morphologischen Eigenschaften einzelner Zellen und kortikaler Strukturen.
Zudem treten einige neurologische Erkrankungen, wie z.B. die Epilepsie, vermehrt während der frühkindlichen Entwicklung auf und haben in diesem Zeitraum auch ein von Erwachsenen unterschiedliches therapeutisches Profil. Daher untersuchen wir, welche Bedingungen zu epileptogener Aktivität in unreifen kortikalen Strukturen führt und in wie weit sich die Beieinflußbarkeit epileptogener Aktivität von adultem Gewebe unterscheidet.	Der GABA_A Antagonist Pircotoxin (PTX) löst im Hippocampus einer P4 Ratte iktale epileptiforme Aktivität aus, obwohl GABA in dieser Alters- gruppe noch depolarisierende Membranantworten bewirkt.
*Zugehörige Publikationen:* Kolbaev, S., Sharopov, S., Dierkes, P., Luhmann, H.J. & Kilb, W. (2012) Phasic GABA-A receptor activation is required to suppress epileptiform activity in the CA3 region of the immature rat hippocampus. Epilepsia 53:888–898 Richter, D., Luhmann, H.J. & Kilb, W. (2010) Intrinsic activation of GABA(A) receptors suppresses epileptiform activity in the cerebral cortex of immature mice. Epilepsia 51: 1483-1492 Kilb W., Sinning A. & Luhmann, H.J. (2007) Model-specific effects of bumetanide on epileptiform activity in the invitro intact hippocampus of the newborn mouse Neuropharmacology 53: 524-33 Kilb W, Dierkes PW, Sykova E, Vargova L, Luhmann HJ (2006) Hypoosmolar conditions reduce extracellular volume fraction and enhance epileptiform activity in the CA3 region of the immature rat hippocampus. J Neurosci Res. #128 Moser J, Kilb W, Werhahn KJ, Luhmann HJ (2006) Early developmental alterations of low-Mg2+ -induced epileptiform activity in the intact corticohippocampal formation of the newborn mouse in vitro. Brain Res 1077: 170-177. #126 Heck N, Kilb W, Reiprich P, Kubota H, Furukawa T, Fukuda A, Luhmann HJ (2006) GABA-A Receptors Regulate Neocortical Neuronal Migration In Vitro and In Vivo. Cereb Cortex. #125 Karl, C., Couillard-Despres, S., Prang, P., Munding, M., Kilb, W., Brigadski, T., Plötz, S., Mages, W., Luhmann, H.J., Winkler, J., Bogdahn, U. & Aigner, L. (2005) Neuronal precursor specific activity of a human doublecortin regulatory sequence. J. Neurochem., 92:264-282. #112 Reiprich, P., Kilb, W. & Luhmann, H.J. (2004) Neonatal NMDA receptor blockade disturbs neuronal migration in rat somatosensory cortex in vivo. Cerebral Cortex, 15:349-358 #106
Netzwerkoszillationen im unreifen Kortex
Die Entwicklung des zerebralen Kortex wird nicht nur durch endogene genetische Programme gesteuerte, sondern spontane elektrische Aktivität spielt für die funktionelle Reifung des Kortex eine entscheidende Rolle. Um den Einfluß dieser frühen synaptischen Aktivität auf die Kortexentwicklung zu analysieren, charakterisieren wir mit elektrophysiologischen Methoden spontane synaptische Aktivität aber auch durch verschiedene Neurotransmitter ausgelöste Netzwerkoszillationen im unreifen Kortex.	Originalregistrierung (A) und Spektrogram(B) einer durch Carbachol ausgel/ouml;sten Netzwerkoszillation im unreifen Kortex (aus: Kilb & Luhmann, 2003).
*Zugehörige Publikationen:* Dupont E, Hanganu IL, Kilb W, Hirsch S, Luhmann HJ (2006) Rapid developmental switch in the mechanisms driving early cortical columnar networks. Nature 439: 79-83. #123 Kilb, W. & Luhmann, H.J. (2003) Carbachol-induced Network Oscillations in the Intact Cerebral Cortex of the Newborn Rat Cereb. Cortex 13: 409-421. # 091 Kilb, W. & Luhmann, H.J. (2001) Spontaneous GABAergic postsynaptic currents in Cajal-Retzius cells in neonatal rat cerebral cortex Eur. J. Neurosci. 13: 1387-1390. # 080 Hanganu, IL., Kilb, W. & Luhmann, H.J. (2001) Spontaneous synaptic activity of subplate neurons in neonatal rat somatosensory cortex Cerebral Cortex 11: 400-410. # 079
Effekte des intra- und extrazellulären pH-Wertes
Physiologische Prozesse, wie elektrische Aktivität oder Aktivierung von Neurotransmitter- rezeptoren, aber auch pathophysiologische Ereignisse, wie z.B. Ischämie oder epileptische Anfälle, führen zu teilweise massiven Veränderungen des intra- und extrazellulären pH-Wertes. In einer Reihe von Experimenten habe ich daher untersucht, welchen Einfluß Veränderungen des intra- und extrazellulären pH-Wertes auf die synaptische Übertragung beim medizinischen Blutegel ( Hirudo medicinalis) haben.	Der glutamaterge Agonist Kainat induziert eine Membrandepolarisation, einen Natriumeinstrom und eine intrazelluläre Ansäuerung (aus: Kilb & Schlue, 1999).
*Zugehörige Publikationen:* Kilb W, Schlue WR (2001) Feedback control of intracellular pH by means of iontophoretic H+/OH- injection. Pflügers Arch 443: 54-60. # 073 Hochstrate P, Dierkes PW, Kilb W, Schlue WR (2001) Modulation of Ca2+ influx in leech Retzius neurons. I. Effect of extracellular pH. J Membr Biol 184: 13-25. # 072 Hochstrate P, Dierkes PW, Kilb W, Schlue WR (2001) Modulation of Ca2+ influx in leech Retzius neurons II. Effect of extracellular Ca2+. J Membr Biol 184: 27-33. # 071 Kilb W, Schlue WR (1999) Mechanism of the kainate-induced intracellular acidification in leech Retzius neurons. Brain Res 824: 168-182. # 055