Synaptic Transmission in Energy Homeostasis

Forschungsgruppe Fenselau

Synapsen sind die Hauptadern des Informationsflusses im Gehirn. In unserer Forschung untersuchen wir, wie die Übertragung über diese wichtigen Verbindungen die Kommunikation innerhalb der Schaltkreise ermöglicht, die den systemischen Stoffwechsel steuern. Dazu verwenden wir verschiedene moderne neurowissenschaftliche Techniken in Kombination mit genetischen Ansätzen bei Mäusen. Diese erlauben es uns, einen direkten Zusammenhang zwischen der synaptischen Übertragung in bestimmten Schaltkreisen und bestimmten Stoffwechselprozessen herzustellen.

Die Fähigkeit eines Organismus, den Energiehaushalt und den Glukosestoffwechsel präzise zu koordinieren, ist entscheidend für die metabolische Gesundheit und das Überleben. Diese Koordination wird durch verschiedene Gruppen von Nervenzellen bewerkstelligt. Sie nehmen Energiesignale wahr und leiten diese Informationen an nachgeschaltete Hirnareale weiter, um verschiedene Prozesse wie das Fressverhalten, den Energieverbrauch und die Glukosehomöostase zu steuern. Dabei ist es wichtig, dass die Kommunikation innerhalb dieser Schaltkreise effizient und hochpräzise abläuft und an die Verfügbarkeit von Energie und Nährstoffen angepasst ist.

Die Forschungsgruppe Fenselau konzentriert sich auf die Erweiterung unseres derzeitigen Verständnisses der synaptischen Physiologie und Plastizität - wie z.B. der synaptischen Langzeitpotenzierung - in definierten Schaltkreisen, die wichtige Faktoren des systemischen Stoffwechsels regulieren. Das übergeordnete Ziel unserer Forschung ist es, einen kausalen Zusammenhang zwischen der synaptischen Übertragung in diesen Schaltkreisen und biologischen Prozessen auf zellulärer, geweblicher und organismischer Ebene herzustellen.

Konkret befassen wir uns mit den folgenden drei Forschungsbereichen:

1. Entschlüsselung der synaptischen Organisation der neuronalen Darm-Gehirn-Kommunikation
2. Aufklärung der funktionellen Bedeutung der synaptischen Plastizität in Nahrungskreisläufen
3. Erforschung der regulatorischen Rolle von Neuropeptiden in Stoffwechselwegen

Zu diesem Zweck verwenden wir eine breite Palette von unterschiedlichen, aber komplementären Methoden, einschließlich der Elektrophysiologie von Hirnschnitten, rekombinase-exprimierenden Mäusen, AAV-Virus-Ansätzen, Optogenetik, Chemogenetik, Einzelzellsequenzierung und in vivo bildgebenden Verfahren. Die effektive Kombination dieser Ansätze ermöglicht es uns zu untersuchen, (1) wie die synaptische Übertragung innerhalb definierter Schaltkreise kausal mit biologischen Prozessen zusammenhängt, (2) wie sich die synaptische Kommunikation bei Kalorienmangel oder Überernährung verändert und (3) wie synaptische Veränderungen mit pathologischen Zuständen wie Adipositas oder Diabetes mellitus Typ 2 zusammenhängen.

Ausgewählte Publikationen

Advanced neurobiological tools to interrogate metabolism.
Mirabella PN and Fenselau H. (2023) Nat Rev Endocrinol. accepted.

A synaptic amplifier of hunger for regaining body weight in the hypothalamus.
Grzelka K, Wilhelms H, Dodt S, Dreisow ML, Madara JC, Walker SJ, Wu C, Wang D,Lowell BB, Fenselau H. (2023) Cell Metab. 2023 May 2;35(5):770-785.e5.

Gut-brain communication by distinct sensory neurons differently controls feeding and glucose metabolism.
Borgmann B, Ciglieri E, Biglari N, Brandt C, Cremer AL, Backes H, Tittgemeyer M, Wunderlich FT, Brüning JC, Fenselau H (2021) Cell Metab. 2021 Jul 6;33(7):1466-1482.e7.

Hypothalamic Pomc Neurons Innervate the Spinal Cord and Modulate the Excitability of Premotor Circuits.
Reinoß P, Ciglieri E, Minére M, Bremser S, Klein A, Löhr H, Fuller PM, Büschges A, Kloppenburg P, Fenselau H#, Hammerschmidt M# (2020) Curr Biol. 2020 Dec 7;30(23):4579-4593.e7. (#joint corresponding authors)

A rapidly acting glutamatergic ARC→PVH satiety circuit postsynaptically regulated by α-MSH.
Fenselau H, Campbell JN, Verstegen AM, Madara JC, Xu J, Shah BP, Resch JM, Yang Z, Mandelblat-Cerf Y, Livneh Y and Lowell BB (2017) Nat Neurosci. 2017 Jan;20(1):42-51.