Ziel des Verbundprojektes ist es, die molekularen Mechanismen der Entwicklung altersassoziierter Einschränkungen der Gedächtnisfunktionen (AMI) aufzuklären und neue Strategien der pharmakologischen Interferenz mit AMI insbesondere durch Polyamine zu entwickeln. Von Seiten der Freien Universität Berlin werden hier vor allem biochemische, molekularbiologisch-genetische, elektrophysiologische und zellbiologische Expertise, einschließlich modernster Methoden der höchst-auflösenden Lichtmikroskopie (z.B. STED) eingebracht. Das Arbeitsprogramm für das Projekt lässt sich in folgende Abschnitte gliedern, wobei sich die Bearbeitung einzelner Themen zeitlich überschneiden wird: 1. Nährstoff-"Signaling", Polyamine und Autophagie in der Proteostase alternder Synapsen: In diesem Abschnitt des Projekts kommen biochemische und zellbiologische Methoden zum Einsatz, um die altersbedingten Änderungen bei synaptischer Proteostase und Autophagie zu untersuchen. Außerdem wird der Einfluss von Polyaminen  in der Regulation von synaptischer Proteostase und AMI untersucht. 2. Bildgebende Darstellung synaptischer Struktur und synaptischen "Signalings" im gealterten Hippocampus: In diesem Abschnitt werden die altersabhängigen Veränderungen an synaptischen Strukturen im Hippocampus gealterter Mäuse mit Hilfe höchst-auflösender Mikroskopietechnik (z.B. STED) untersucht. 3. Einfluss von Polyaminen auf funktionelle neuronale Netzwerke im Hippocampus von gealterten Mäusen: In diesem Abschnitt wird die Fragestellung analysiert, ob in vivo-Gabe von Polyaminen (wie z. B. Spermidin) in Mäusen in der Lage ist, Defekte der Langzeitpotenzierung in gealterten Tieren zu verhindern. Es sollen auch vergleichende Verhaltensstudien durchgeführt werden.

Mit Methoden der zellulären Elektrophysiologie sowie im Verhaltensexperiment am Tiermodell sollen Mechanismen identifiziert werden, die auf der Ebene des neuronalen Netzwerkes der Hippokampusformation altersbedingt verändert sind; neuronale Rhythmen werden insbesondere im Hippokampus als Voraussetzung von Lernprozessen und Gedächtnis angesehen. Bisher ungeklärt ist, welche zellulären und synaptischen Veränderungen der altersbedingten Schwächung dieser Rhythmen zugrunde liegen. Es soll insbesondere der Effekt von Polyaminen auf das neuronale Netzwerk auf Ebene einzelner Synapsen und der Neuronenpopulation sowie die Lernfähigkeit in Verhaltenstests untersucht werden. Es soll eine Studie zur Wirkung einer nichtmedikamentösen polyaminreichen Nahrungsergänzung (Weizenkeimextrakt) bei älteren Menschen mit erhöhtem Demenzrisiko durchgeführt werden. Effekte dieser Nahrungsergänzung auf zelluläre Reinigungsprozesse, kognitive Leistungen und zugrunde liegende biologische Mechanismen sollen bestimmt werden. Zur Aufklärung der Wirkung werden u.a. Veränderungen von kognitiven Leistungen, funktionellen und strukturellen Hirnprozessen, vaskulären Prozessen, neurodegenerativen Prozessen und peripheren Markern im Blutplasma (Entzündungs- und neurotrophe Faktoren) sowie die Interaktion mit genetischen Faktoren gemessen.

Das Vorhaben dient der Aufklärung der molekularen Zusammenhänge zwischen Autophagie und synaptischer Proteostase. Es soll geklärt werden, inwieweit Störungen dieser Prozesse an der AMI beteiligt sind und ob Nährstoff-Signaling über Polyamine oder äquivalente Eingriffe in Signalprozesse vor AMI schützen oder diese sogar umkehren können. Langfristig könnten aus dem Projekt neue therapeutische Ansätze zur Behandlung altersbedingter Gedächtnisstörungen erwachsen. Die Abteilung Molekulare Pharmakologie und Zellbiologie des Leibniz-Instituts für Molekulare Pharmakologie (FMP) ist an drei der vier Teilprojekte des geplanten Verbundes beteiligt. Der Fokus der FMP-Forschung liegt auf der molekularen und funktionellen Analyse synaptischer Kontakte, insbesondere im Hippokampus, und deren Veränderung während des Alterns. Dazu werden biochemische, molekularbiologisch-genetische, elektrophysiologische und zellbiologische Expertise sowie modernste Methoden der hochauflösenden Lichtmikroskopie angewandt. So sollen Veränderungen der synaptischen Proteinzusammensetzung während des Alterns analysiert und deren Zusammenhang mit dem Status der Autophagie und der Proteostase an zentralen Synapsen aufgeklärt werden. Als Modellsystem werden am FMP Mausmodelle sowie akute und organotypische hippokampale Schnitte aus jungen, gealterten und gealterten, Polyamin-behandelten Mäusen zum Einsatz kommen.

Das Vorhaben dient der Aufklärung der molekularen Zusammenhänge zwischen Autophagie und synaptischer Proteostase. Das Arbeitsprogramm für das Projekt lässt sich in folgende Abschnitte gliedern, wobei sich die Bearbeitung einzelner Themen zeitlich überschneiden wird: 1. Nährstoff-"Signaling", Polyamine und Autophagie in der Proteostase alternder Synapsen: In diesem Abschnitt des Projekts kommen biochemische und zellbiologische Methoden zum Einsatz, um die altersbedingten Änderungen bei synaptischer Proteostase und Autophagie zu untersuchen. Außerdem wird der Einfluss von Polyaminen  in der Regulation von synaptischer Proteostase und AMI untersucht. 2. Bildgebende Darstellung synaptischer Struktur und synaptischen Signalings am gealterten Hippocampus: In diesem Abschnitt werden die altersabhängigen Veränderungen an synaptischen Strukturen im Hippocampus gealterter Mäuse mit Hilfe hochauflösender Mikroskopietechnik (z.B. auch STED) untersucht. Im Bereich des funktionellen "Imagings"  werden optische Sensoren für  Nährstoff-"Signalling" und autophagische Regulation zum Einsatz kommen und die Spiegel an cAMP und Ca2+ analysiert.

Ziel des Teilprojekts ist es, den Partnern im Verbundprojekt sowohl die technische Software-Infrastruktur als auch die algorithmischen Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die Bilddaten quantitativ auswerten und vergleichen zu können. Dazu wird ein verteiltes Softwaresystem zur Ablage und Verwaltung der Bilddaten erarbeitet. Diese Software wird sowohl die Suche nach Bildern, ihre Visualisierung als auch die Analyse der Bilddaten erlauben. Die Arbeit mit den Bilddaten erfolgt dabei zum größten Teil über Schnittstellen im Webbrowser. Auf Basis dieser Infrastruktur werden parallel konkrete Bildverarbeitungs-Algorithmen zur vergleichenden quantitativen Analyse der aufgenommenen Bilddaten entwickelt. Die im Teilprojekt durchzuführenden Arbeiten sind in klar voneinander abgegrenzte Arbeitspakete strukturiert, die aufeinander aufbauen. In AP1 wird gemeinsam mit den Projektpartnern und aufbauend auf den vorhandenen Konzepten und Erfahrungen die konkrete Definition des verteilten Analysesystems erstellt. Auf Basis dieser Definition werden in den folgenden Paketen die Konzepte für das webbasierte Managementsystem (AP2), das Import/Export-Subsystem (AP3) sowie das verteilte Ablage-Subsystem (AP4) erstellt und prototypisch implementiert. Parallel werden algorithmische Lösungen für Analyse-Aufgaben erarbeitet (AP5), um die konkreten Aufgabenstellungen der Verbundpartner zu lösen. Mit diesen Grundlagen werden in AP6 Konzepte für die verteilte Analyse der Bilddaten erarbeitet, die dann in AP7 in Verfahren für die webbasierte Analyse und Visualisierung ausgearbeitet werden.