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PD Dr. Sten Rüdiger

Theoretische Physik (Statistische Physik und Nichtlin.Dynamik)

Projekte

Kooperationen

Themen

Calciumsignalisierung Computersimulation Kognitive Neurowissenschaft Mathematische Modellierung Neurowissenschaften Nichtlineare Dynamik Regionale Entwicklung

Zusammenfassung

PD Dr. Sten Rüdiger erforscht, wie Calciumsignale in Nervenzellen während der frühen Gehirnentwicklung die Bildung von neuronalen Schaltkreisen steuern — kombiniert dabei experimentelle Messungen mit mathematischen Modellen. Sein Fokus liegt auf dem Verständnis, wie spontane elektrische Aktivität und externe Reize zusammenwirken, um Nervenfasern wachsen zu lassen und Synapsen zu formen, besonders in kritischen Entwicklungsfenstern. Für Unternehmen in den Bereichen Neurotechnologie, Pharmaforschung (Entwicklungsstörungen, Lernbehinderungen) und Neuromodulation können diese Erkenntnisse zur Optimierung von Wirkstoffen oder zur Diagnose von Entwicklungsstörungen relevant sein.

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Identität, Organisation und Kontakt aus HU-FIS.

PD Dr. Sten Rüdiger

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Institut: Theoretische Physik (Statistische Physik und Nichtlin.Dynamik)

Forschungsprojekte

Raum-zeitliche Dynamik der intrazellulären Calcium-Abgabe
Quelle ↗
Mit der Entwicklung der Calcium-Visualisierung hin zur Nanometer-Auflösung, die die Identifizierung einzelner Calciumkanäle ermöglicht, wird ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden dynamischen Prozesse benötigt. Intrazelluläres Calcium steuert fundamentale zelluläre Prozesse wie z.B. Embryonalentwicklung, Genexpression und die Freisetzung von Neurotransmittern. Vor kurzem wurden entscheidende Hinweise für die zentrale funktionale Rolle der lokalen und räumlich-zeitlichen Calciumverbreitung gefunden, so dass Calcium ein herausragendes Beispiel für den aktuellen Fokus auf vierdimensionale Zellbiologie ist. In diesem Projekt wollen wir ein Software-Paket (entwickelt in unserem früheren DFG-Projekt) benutzen, um ein hybrides, deterministisch-stochastisches Modell für Calcium-Signale zu untersuchen. Zunächst richten wir dieses Modell an den Fortschritten in der experimentellen Visualisierung lokaler Calcium-Freisetzung aus. Die sogenannte Puffs sind zufallsbestimmte aber synchronisierte Öffnungen von IP3R-Kanälen in Clustern und werden als grundlegende Bausteine der globalen Signale betrachtet. Auf der Basis unseres Software-Paketes und neuer experimenteller Erkenntnisse wollen wir nun die Cluster viel genauer als bisher möglich modellieren, so dass viele Aspekte der Puffs, wie z.B. die Rolle der Geometrie und Sub-Clusterung aufgedeckt werden können, sowie die allgemeinen Prinzipien der Synchronisation in zellulären Signalwegen untersucht werden können. Mit unserem neuen Verständnis von Puffs werden wir in einer zweiten Phase des Projekts die zell-globale Calcium-Abgabe und die Erzeugung von Wellen erforschen. In einem neuartigen Modellierungsansatz, und orientiert an experimentellen Ergebnissen, gehen wir davon aus, dass es zwei Teilpopulationen von Kanälen gibt, nämlich Kanäle, die Cluster formen, sowie isolierte Kanäle zwischen den Clustern. Wir wollen hier entscheidend zur jüngsten wissenschaftlichen Debatte über die Erzeugung regelmäßiger Calcium-Oszillationen aus einer fluktuierenden Umgebung beitragen.
IGRK 1740/2: Dynamische Phänomene in komplexen Netzwerken: Grundlagen und Anwendungen
Quelle ↗

Publikationen

25Auswahl der wichtigsten Publikationen — Quelle: OpenAlex.

Stochastic models of intracellular calcium signals
2013
Physics Reports · DOI
Mechanogenetic Coupling of Hydra Symmetry Breaking and Driven Turing Instability Model
2009
Biophysical Journal · DOI
Ryanodine Receptor Activation Induces Long-Term Plasticity of Spine Calcium Dynamics
2015
PLoS Biology · DOI
A key feature of signalling in dendritic spines is the synapse-specific transduction of short electrical signals into biochemical responses. Ca2+ is a major upstream effector in this transduction cascade, serving both as a depolarising electrical charge carrier at the membrane and an intracellular second messenger. Upon action potential firing, the majority of spines are subject to global back-propagating action potential (bAP) Ca2+ transients. These transients translate neuronal suprathreshold activation into intracellular biochemical events. Using a combination of electrophysiology, two-photon Ca2+ imaging, and modelling, we demonstrate that bAPs are electrochemically coupled to Ca2+ release from intracellular stores via ryanodine receptors (RyRs). We describe a new function mediated by spine RyRs: the activity-dependent long-term enhancement of the bAP-Ca2+ transient. Spines regulate bAP Ca2+ influx independent of each other, as bAP-Ca2+ transient enhancement is compartmentalized and independent of the dendritic Ca2+ transient. Furthermore, this functional state change depends exclusively on bAPs travelling antidromically into dendrites and spines. Induction, but not expression, of bAP-Ca2+ transient enhancement is a spine-specific function of the RyR. We demonstrate that RyRs can form specific Ca2+ signalling nanodomains within single spines. Functionally, RyR mediated Ca2+ release in these nanodomains induces a new form of Ca2+ transient plasticity that constitutes a spine specific storage mechanism of neuronal suprathreshold activity patterns.

Netzwerke mit komplexer Topologie haben sich während des letzten Jahrzehnts als ein erfolgreicher Zugang erwiesen, um große komplexe Systeme zu verstehen. Ihre Anwendbarkeit erstreckt sich über viele Gebiete wie z.B. Neurowissenschaften, Ingenieurswissenschaften, Soziologie oder auch Ökonomie. Der Fokus der meisten Studien lag bisher auf festen, unabänderlichen Topologien; daher waren die Analysen in ihrem Anwendungsbereich stark eingeschränkt. In unserem iGRK untersuchen wir Prinzipien der Selbstorganisation in zeitlich veränderlichen, komplexen Netzwerken. Um diese Ansätze realitätsnäher zu gestalten, sollen zusätzlich Einflüsse von Netzwerkheterogenitäten, multiskaligen, zeitlichen Verzögerungen sowie von stochastischen Quellen erforscht werden. Diese theoretischen Studien werden eng mit der Untersuchung experimenteller und natürlicher Netzwerke zunehmender Komplexität, von Stromnetzen über Infektionsnetzwerke und Neuronennetzwerke bis zum Erdsystem verknüpft. Letzteres ist eine Herausforderung, auf die wir besonderes Augenmerk legen werden. Ein Hauptthema des Graduiertenkollegs wird daher auch das Verständnis von Teilsystemen der Erde unter sich wandelnden Bedingungen sein. Insbesondere werden Einflüsse wie die globale Erwärmung und der Landnutzungswandel im Amazonasgebiet untersucht.

Calciumsignale in Neuronen während der frühen Entwicklung: Experimente und Theorie

Quelle ↗

After neuronal migration, neuronal circuit formation during early brain development is dominated by extensive dendritic outgrowth and synapse generation. The formation of circuits is dependent on neuronal activity patterns based on sensory experience depending on extrinsic cues and intrinsically generated spontaneous activity. Critical periods are usually defined as developmental windows when deprivation from sensory experience has an impact on cortical sensory representations. During so-called precritical periods, a comparatively strong influence of spontaneous intrinsically generated activity patterns has been demonstrated (Feller and Scanziani, 2005). In neonatal rodents, intrinsically generated spontaneous and synchronized global neuronal network events occur. The time frame for these events generally depends on the brain region, usually with a peak in the first postnatal week. In this period, spontaneous synchronized events are modulated by sensory inputs to varying degrees in different systems (Khazipov and Luhmann, 2006). These activity patterns contribute to neuronal circuit formation through the generation and elimination of axons, dendrites, spines and synapses (Ben-Ari, 2001). However, how electrical input is transmitted into biochemical signaling mediating structural plasticity is still under investigation. One key player is Ca2+, since it can serve as both, electrical charge carrier at the membrane and biochemical second messenger in intracellular signaling cascades (Hille, 2001). The dynamics of Ca2+ concentration plays a key role in a multitude of cellular processes and is a phenomenon highly variable in its appearance in space and time. Cytosolic Ca2+ levels are modified by the coordinated release from intracellular stores located in cell organelles, particularly the endoplasmic reticulum (ER). Receptor channels in the ER membrane, such as inositol trisphosphate receptors (IP3Rs) and ryanodine receptors (RyRs), mediate complex Ca2+ transients in response to binding of specific ligands including Ca2+ to binding sites on the cytosolic side of the channels. Once Ca2+ is released it diffuses into the cytosol and increases the open probability of neighboring channels by binding to activating sites on the channel protein. This provides a self-amplifying mechanism called Ca2+ induced Ca2+ release (CICR), which is crucial for the generation of spatio-temporal waves (Berridge, 1998). Indeed, neuronal plasticity and circuit formation have been shown to depend on cytoplasmic Ca2+ elevations, which are necessary for dendritic and filopodial outgrowth as well as spine formation. We recently demonstrated that Ca2+ release from intracellular stores via RyRs is able to generate signaling nanodomains involved in plasticity of dendritic spines (Johenning et al., 2015). Now, as a next step towards understanding the role of calcium in neuronal plasticity we will investigate the functional interaction between Ca2+ signals arising from the plasma membrane as well as from intracellular store release and spine formation during postnatal development. In a multidisciplinary experimental and theoretic approach to study highly complex phenomena such as Ca2+ wave generation and propagation into spines we will identify how Ca2+ signals govern the development of neonatal circuits at different spatial scales.

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Forschungsprojekte

Raum-zeitliche Dynamik der intrazellulären Calcium-Abgabe

IGRK 1740/2: Dynamische Phänomene in komplexen Netzwerken: Grundlagen und Anwendungen

Publikationen

Stochastic models of intracellular calcium signals

Mechanogenetic Coupling of Hydra Symmetry Breaking and Driven Turing Instability Model

Ryanodine Receptor Activation Induces Long-Term Plasticity of Spine Calcium Dynamics

Calciumsignale in Neuronen während der frühen Entwicklung: Experimente und Theorie