Onderzoeksproject P7/20 (Onderzoeksactie P7)
De werking van het zenuwstelsel vereist vorming, plasticiteit, instandhouding en herstel van het bedradingsnetwerk. Om foutloos te connecteren, dienen neuronen correct gespeficieerd te zijn, en te migreren naar de gewenste positie vooraleer axonen te vormen welke naar hun doelgebied gegidst worden. De regulatie van deze axonen-gidsing steunt op intrinsieke programma’s, “gids”-cellen, en een waaier aan attractieve en repulsieve signalen. In parallel vormen de neuronen uitlopers van sterk vertakte receptieve dendrieten volgens strikte “tiling” regels. Vervolgens worden synapsen gevormd en progressief verfijnd, wat uiteindelijk een functioneel netwerk oplevert. Het netwerk is plastisch en dynamisch, responsief voor omgevingsveranderingen die optreden tijdens het normale leven of als gevolg van ziekte en trauma. Al deze processen worden gecontroleerd door een verscheidenheid aan activiteits-afhankelijke en –onafhankelijke mechanismen.
Een goed inzicht in de zenuwbedrading is essentieel om op optimale wijze het potentieel van neuronen of stamcellen te kunnen aanwenden bij behandeling van neurologische deficits. Voor zover wij weten, werd tot nu toe nog geen gecoördineerde onderzoeksinspanning op Belgisch niveau toegespitst op dit belangrijk thema.
WIBRAIN is dus een nieuw initiatief, gericht op een beter begrip van de regulatie van neuronale netwerkvorming, van Drosophila tot de mens, en met aanwending van een gepast arsenaal aan moleculaire, genetische, neurofysiologische, morfologische en gedragsmatige analyseprocedures om om adequate en state-of-the-art wijze alle onderzoeksaspecten te kunnen behandelen. Het project spitst zich toe op 5 werkpaketten zoals hieronder beschreven, welke zorgvuldig opgesteld werden om optimaal de belangrijke vragen in het domein aan te pakken, de competitiviteit van de participerende teams ten volle aan te wenden, het multidisciplinair karakter en translationeel potentieel te stimuleren en exploiteren, en optimaal de synergieën tussen de partners te benutten.
WIBRAIN is gebaseerd op het sterke engagement van alle partners om hun expertise en kennis te bundelen en een belangrijke bijdrage te kunnen leveren in het brede domein van de zenuwbedrading van de hersenen. De meer dan dertig publicaties over de laatste zes jaar in top tijdschrijften (IF>10) waaronder Cell, Nature en Science, illustreren dat de partners van dit voorgestelde netwerk leiders zijn in hun vakgebied, met een stevige internationale reputatie en een bewezen capaciteit om te innoveren. Met uitzondering van de coördinator, ligt de leeftijd van partners ULB en KUL in de veertig, op het hoogtepunt van hun productiviteit, en komen partners Ulg en UA tegemoet aan de criteria van opkomende “jonge ploegen”. De buitenlandse partners werden gekozen op basis van hun expertise. Dr Berninger (JGU) bestudeert de mechanismen van adulte neurale stamcellijnprogressie en -specificatie gebruik makend van ‘time-lapse’ beeldvorming, en de herprogrammering van somatische cellen zoals astroglia of pericyt-afgeleide cellen in functionele neuronen. Zijn expertise omvat eveneens electrofysiologie en retrovirale gentransfer. Dr Reiff (UFR) is een expert op het gebied van functionele en fysiologische analyse van neurale circuits in Drosophila. Hij ontwikkelde één van de beste genetisch gecodeerde Ca-sensoren en combineert genetica en 2-foton beeldvorming om de onderlinge relatie tussen neuronale netwerkanatomie en –functionaliteit te ontleden zoals getest kan worden via elektrofysiologische opnames in combinatie met gedragsanalyse.
Het project heeft als streefdoel antwoorden te vinden op sleutelvragen over de zenuwbedrading van de hersenen, en is gestructureerd in vijf werkpaketten (WP), met geselecteerde prioritaire taken (T), zoals hieronder kort samengevat.
WP1. Neuronale specificatie en migratie
T1.1 Specificatie van neurale stamcellen. Regulatie van neurale stamcelspecificatie door transcriptiefactoren en Notch signalering.
T1.2 Neuroepitheel polariteit. Polarisatie van het neuroepitheel, controle van de interkinetische beweging. Rol van cytoskeletregulatoren, planaire celpolariteit (PCP) genen, centrosomale en ciliaire eiwitten.
T1.3 Neuronale migratie. Microtubuli dynamiek, zuurstof sensoren, metabole genen, PCP en formines.
WP2. Axonale groei en targeting
T2.1. Regulatie van axonale trajectvorming. Controle van uitgroei en “targeting” door kinases geïdentificeerd in nieuwe “screens” in Drosophila, Notch signalering, PCP genen en cytoskeletregulatoren.
T2.2. Vertakking en “snoeien” van axonen. Regulatie door activiteit, intrinsieke programma's en signalen afkomstig van het doelgebied. Computer modellering van axon/target en axon/axon interacties.
WP3. Vorming van het dendritisch veld
T3.1. Maturatie, zelfontwijking en “tiling”. Wederzijdse inhibitie/zelfontwijking tijdens maturatie van het dendritisch veld, en effect op de neurale netwerkactiviteit. Rol van Dscam en Dscam-gerelateerde receptoren.
T3.2. Rol van zuurstof sensoren en metabolisme.
T3.3. Vorming van het corticaal gebied. Rol van Bcl6, Eph-Ephrins, en Lrrn1-3 (leucine-rich repeat neuronale eiwitten 1-3).
WP4. Synapsvorming en activiteit
T4.1. Identificatie van nieuwe genen. Ruimtelijke en functionele specificiteit in synaps adres selectie. Rol van membraanreceptoren geïdentificeerd in genetische “screens” in vliegen.
T4.2. Genese van elektrische activiteitspatronen. Vorming van activiteitspatronen uit microcircuits. Effect van mutaties of neerregulatie van de genen vermeld in WP1-WP4.1.
WP5. Hersenweefselherstel
T5.1. Strategieën betrekken generatie van nieuwe neurale cellen. Gerichte differentiatie van muriene en humane pluripotente stamcellen, herprogrammering naar neuronen en validatie in diermodellen voor hersenschadeherstel.
T5.2. Strategieën voor axon regeneratie van bestaande neuronen. Axonale regeneratie en herbedrading van lesies in vivo.
