Aufklärung der neurophysiologischen Mechanismen, die für OWA-induzierte Verhaltensänderungen bei Polarfischen verantwortlich sind: ein NMR-Ansatz

Description: Die dramatischsten Auswirkungen des Klimawandels werden für die Polarregionen erwartet, sodass polare Organismen durch die Temperatur- und CO2-Änderungen besonders beeinflusst werden. Im Gegensatz zu den meisten marinen Wirbellosen haben Fische die Fähigkeit zur effektiven Säure-Basen-Regulation. Trotzdem konnten für verschiedene Arten neurologische Störungen unter erhöhten CO2-Konzentrationen nachgewiesen werden. Die den CO2-induzierten Verhaltensänderungen zugrundeliegenden Mechanismen sowie die Frage, inwieweit auch antarktische Fischarten betroffen sind, konnten jedoch noch nicht geklärt werden.In ersten Studien wurden als mögliche Ursache sowohl eine Änderung in der Reaktion des GABAA-Rezeptors als auch im GABA-Metabolismus postuliert. Des Weiteren konnte im Gehirn einer antarktischen Fischart ein Absinken des intrazellulären pH-Wertes (pHi) unter Hyperkapnie gezeigt werden. Es konnte aber noch nicht geklärt werden, ob ein Faktor allein oder eine Kombination und Interaktion mehrerer Faktoren für die Verhaltensänderungen verantwortlich sind. Daher ist die nicht-invasive, räumlich und zeitlich hochaufgelöste Bestimmung von Metabolitenkonzentrationen und des pHi in vivo im Gehirn von Polarfischen für das Verstehen neurologischer Effekte von großer Bedeutung.Ziel des Projekts ist es, mit neuen methodischen Ansätzen der lokalisierten in vivo 1H-NMR-Spektroskopie ein besseres Verständnis der den neurologischen Störungen zugrundeliegenden Mechanismen zu erlangen. Dabei sollen insbesondere Editierverfahren eingesetzt werden, die eine spektrale Vereinfachung der in vivo 1H-NMR-Spektren durch die Unterdrückung unerwünschter Signale während der Erfassung ermöglichen. Diese Ansätze sind in der präklinischen Forschung bereits teilweise etabliert, müssen jedoch für die spezielle Anwendung an nicht anästhesierten Polarfischen (Temperatur um den Gefrierpunkt, Bewegung, Salzwasser u. a.) angepasst werden. Des Weiteren sollen diese Methoden mit spektroskopischen Bildgebungsverfahren kombiniert und die Quantifizierung der 1H-NMR-Spektren für die polaren Temperaturen optimiert werden.In einem früheren Projekt wurde von mir und meinen Kollegen der Ansatz des Chemical Shift Saturation Transfer (CEST) erstmalig für die pH-Bildgebung am Polardorsch genutzt. Dabei konnten wir zeigen, dass TauCEST, d. h. die auf Taurin beruhende CEST-MRI, die räumlich und zeitlich hochaufgelöste Bestimmung von relativen pHi-Änderungen im Gehirn unter erhöhten CO2-Konzentrationen ermöglicht. Eine Adaption dieser Methode für viele polare Fischarten scheint nach derzeitigem Kenntnisstand umsetzbar.Die Kombination von lokalisierter in vivo 1H-NMR-Spektroskopie und CEST-MRI soll daher die gleichzeitige Quantifizierung von Metaboliten und die Bestimmung des pHi mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen, um die neurophysiologischen Mechanismen aufzudecken, die für die unter Szenarien des Klimawandels beobachteten Verhaltensänderungen bei Polarfischen verantwortlich sind.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Kabeljau ? CO2-Konzentration ? Fischart ? Meeresfisch ? Fisch ? Wirbellose ? Kohlendioxid ? Salzwasser ? Spektralanalyse ? Szenario ? Antarktis ? Bestimmungsmethode ? Chemikalien ? pH-Wert ? Studie ? Polargebiet ? Spezies ? Toteisloch ? Klimafolgen ? Klimawandel ? Krankheit ? Stoffwechsel ? Klimaszenario ? Gefrierpunkt ? Gehirn ? Stoffwechselprodukt ? Vermehrung ?

Region: Bremen

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Finanzielle Förderung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Bremen (Projektverantwortung)

Time ranges: 2019-01-01 - 2023-12-31

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Unrevealing the neurophysiological mechanisms responsible for OWA induced behavioral changes in polar fish: an NMR approach
  Description: The most dramatic impacts of climate change are expected for the polar regions, i. e. polar organisms are particularly affected by temperature and CO2 changes. In contrast to most marine invertebrates, fish have the ability to effectively regulate acid-bases. Nevertheless, neurological disturbances under increased CO2 concentrations could be detected for different species. However, the mechanisms underlying the CO2-induced behavioral changes and the extent to which Antarctic fish species are also affected have not yet been clarified.In first studies, a change in the reaction of the GABAA-receptor as well as in the GABA metabolism were postulated as possible causes. Furthermore, a decrease of the intracellular pH value (pHi) under hypercapnia could be shown in the brain of an Antarctic fish species. However, it has not yet been clarified whether one factor alone or a combination and interaction of different factors are responsible for the behavioral changes. Therefore, the non-invasive, spatially and temporally highly resolved determination of metabolite concentrations and pHi in vivo in the brain of polar fish will be of great importance for the understanding of neurological effects.The aim of this project is to gain a better understanding of the underlying mechanisms of neurological disorders in polar fish using new methodical approaches of localized in vivo 1H NMR spectroscopy. In particular, editing techniques will be used that allow a spectral simplification of the in vivo 1H NMR spectra by suppressing unwanted signals during acquisition. These approaches are already partially established in preclinical research but have to be adapted for special application to non-anesthetized polar fish (temperature around freezing point, movement, salt water, etc.). Furthermore, these methods will be combined with spectroscopic imaging techniques and the quantification of the 1H NMR spectra for polar temperatures will be optimized.In an earlier project, I and my colleagues used the Chemical Shift Saturation Transfer (CEST) approach for the first time for pH imaging on polar cod. We were able to show that TauCEST, i. e. the taurine-based CEST MRI, enables the determination of relative pHi changes with high spatial and temporal resolution in fish brain under elevated CO2 concentrations. According to current knowledge, an adaptation of this method for different polar fish species seems to be feasible.Therefore, the combination of localized in vivo 1H NMR spectroscopy and CEST MRI will allow the simultaneous quantification of metabolites and the determination of pHi with high spatial and temporal resolution to reveal the neurophysiological mechanisms responsible for the behavioral changes in polar fish observed under climate change scenarios. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1117959

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Aktiv

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