Experimente zu Auswirkungen veränderter Schwerkraft auf Neuronale Netzwerke
10. Oktober 2024 | 43. DLR-Parabelflugkampagne
Experimente zu Auswirkungen veränderter Schwerkraft auf Neuronale Netzwerke
Das Team der Parabelflugkampagne für das Experiment „RUTH“
Forscherinnen und Forscher des DLR, der Uniklinik Bonn, der Gesellschaft für Schwerionenforschung und der Technischen Hochschule Köln posieren stolz vor dem am DLR entwickelten Parabelflugrack – bereit, die Schwerelosigkeit zu erforschen.
Feinschliff für die Schwerelosigkeit: Das Team trainiert intensiv die Experimentprozeduren und bereitet sich auf die einzigartigen Herausforderungen des Parabelflugs vor.
Das hoch motivierte Team des zweiten Flugtages steht am Zero-G Flugzeug, um erneut in die Schwerelosigkeit aufzubrechen und wertvolle wissenschaftliche Daten zu sammeln.
Die 43. Parabelflugkampagne der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR fand im September in Bordeaux statt
Zellbiologisches Experiment „RUTH“ untersucht Auswirkungen von Schwerelosigkeit auf Neuronale Netzwerke und Gehirnorganoide
Schwerpunkte: Raumfahrt, Forschung unter Schwerelosigkeit
Bei der 43. DLR Parabelflugkampagne im September in Bordeaux, Frankreich, waren insgesamt elf Experimente aus den Bereichen Biologie, Physik, Technologie und Materialwissenschaften mit an Bord des Airbus A310 ZERO-G. An drei aufeinanderfolgenden Kampagnentagen konnten die Experimente in der Schwerelosigkeit getestet werden. Jedes Flugmanöver bestand aus 31 aufeinanderfolgenden Parabeln, die für jeweils etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit erzeugten. Insgesamt standen so bei einer Flugkampagne circa 35 Minuten Schwerelosigkeit – im Wechsel mit normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung – zur Verfügung, die Forschende für ihre Experimente nutzen konnten.
Ein Projekt der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieser Kampagne war das zellbiologische Experiment „RUTH“, welches Auswirkungen von Schwerelosigkeit auf Neuronale Netzwerke und Gehirnorganoide untersucht. Es handelt sich um ein Verbundprojekt der Universitätsklinik Bonn (AG Prof. Dr. Volker Busskamp), der TH Köln (AG Prof. Dr. Sherif El Sheikh), des GSI Helmholtzzentrum Darmstadt (AG Dr. Insa Schroeder) und der Abteilung Applied Aerospace Biology des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin (Dr. Christian Liemersdorf). Hintergrund der Studie ist, dass sich lange Aufenthalte in Schwerelosigkeit bei Astronautinnen und Astronauten negativ auf Gehirnstruktur und -funktion auswirken könnten. Dies könnte die kognitive und motorische Leistungsfähigkeit einschränken und die Sicherheit von Missionen gefährden. Welche physiologischen Mechanismen diesen Veränderungen zugrunde liegen, ist bislang nicht ausreichend untersucht. Um mögliche Gegenmaßnahmen zu erforschen, wird im Experiment RUTH daher der Einfluss der veränderten Schwerkraft auf die Entwicklung, Struktur und Funktion neuronaler Netzwerke untersucht.
Durch den experimentellen Einsatz der Multi-Elektroden-Array (MEA)-Technologie auf einem Parabelflug konnte erstmalig die elektrophysiologische Untersuchung einer einzelnen Zelle auf die Ebene eines gesamten neuronalen Netzwerks erweitert werden. Im Vorfeld konnte das MEA-System bereits auf verschiedenen Gravitations-Forschungsplattformen wie z.B. der DLR-Kurzarm- Zentrifuge, dem ZARM-Fallturm in Bremen und den DLR-Höhenforschungsraketen MAPHEUS-12, -13, und -14 in Kiruna (Schweden) eingesetzt werden. Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Volker Busskamp wurde die spontane Aktivität der von künstlich modifizierten und kultivierten Stammzellen gebildeten neuronalen Netzwerke in Echtzeit untersucht. Die Daten zeigen, dass die Schwerkraft als Umweltstimulus Veränderungen in der neuronalen Aktivität auslöst. Außerdem reagierten die neuronalen Netze besonders auf akute Veränderungen der mechanischen Belastung (Hypergravitation) oder Entlastung (Mikrogravitation), die die neuronale Funktion erheblich beeinträchtigen. Mit eigens entwickelten und synthetisierten pharmakologischen Wirkstoffen analysiert die Forschergruppe der TH Köln um Prof. Dr. Sherif el Sheikh zusätzlich akute und präventive Behandlungsmöglichkeiten, um den Auswirkungen von veränderten Schwerkraftbedingungen auf die neuronale Übertragung entgegenzuwirken.
In dem Teilprojekt MiHBO (MicroHeavy Brain Organoids) wurden aus menschlichen Stammzellen erzeugte Gehirnorganoide verwendet, die in der Arbeitsgruppe Schroeder (GSI Helmholtzzentrum, Darmstadt) routinemäßig als Modellsystem für das komplexe menschliche Gehirn genutzt werden. Während des Parabelflugs wurde getestet, ob in Hyper-und Mikrogravitationsphasen Proben dieser Organoide für aufwendige Analysen von Veränderungen der Gehirnstruktur genommen werden können. Dabei kam eine eigens für diesen Zweck entwickelte Hardware (Rocket Organoids in Space, ROMS) zum Einsatz, die bereits auf der Höhenforschungsrakete MAPHEUS-14 im Februar getestet und nun in verbesserter Form auch für einen größeren Probenumfang erfolgreich genutzt wurde. Die gewonnenen Proben werden wertvolle Hinweise zu Veränderungen der Entwicklung, Struktur und Funktion neuronaler Netzwerke in der Schwerelosigkeit liefern und zur Bewertung der kognitiven Leistungsfähigkeit von Astronauten beitragen. Darüber hinaus dienen sie zur Vorbereitung möglicher Studien auf der Internationalen Raumstation.
Kontakt
Dr. rer. nat. Christian Liemersdorf
Stellvertretende Leitung Angewandte Luft- und Raumfahrtbiologie
