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Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC)

Research Focus

Muscle stem cells face a crucial decision between differentiating to form new muscle or selfrenew to generate anew stem cell. The self-renewal process ensures the maintenance of a cell reservoir for future muscle growth and repair. In our research, we have identified proteins that are produced and degraded in a rhythmic manner within proliferating muscle stem cells, causing oscillations of the proteins. The dynamic presence of these proteins stabilizes a state in which myogenic cells remain undecided whether they will differentiate or self-renew. To delve deeper into this oscillatory network and its regulation, we aim to expand upon our previous analyses in which we used mice as model organisms. Our focus is on studying oscillatory proteins in human myogenic cells derived from induced pluripotent stem cells. Notably, we have observed oscillations in a key regulatory protein, MYOD, in human cells. Utilizing these human cells, our objective is to investigate how these oscillations synchronize between cells and define oscillations in muscle stem cells carrying mutations that cause myopathies in patients.

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Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene (MPUSP)

Research Focus

Unser Labor untersucht Mechanismen der Regulation in Prozessen von Infektion und Immunität mit einem Schwerpunkt auf grampositiven bakteriellen humanpathogenen Erregern. Das Verständnis dieser grundlegenden Mechanismen führt zu neuen Erkenntnissen, die in biotechnologische und biomedizinische Anwendungen übertragen werden können. Ein erfolgreiches Beispiel ist unsere kürzliche Entdeckung eines RNA-gesteuerten DNA-Spaltungsmechanismus, der als RNA-programmierbare Technologie zur Genom-Editierung genutzt wird und aus unserer Analyse des adaptiven Immun-CRISPR-Cas9-Systems in bakteriellen Pathogenen hervorgeht.

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Charité - Universitätsmedizin Berlin

Research Focus

The central nervous system (CNS) depends on the coordinated actions of neurons and glial cells to sustain its remarkable capacity. Our research focuses on how intracellular signalling and cytoskeletal dynamics govern brain homeostasis, synaptic integrity, and resilience during stress or disease. We study these processes at two intimately connected levels: astrocytes and synapses. Astrocytes are essential regulators of neuronal function, maintaining homeostasis, shaping synaptic transmission, and coupling neuronal activity to the vasculature. In response to injury or disease, astrocytes enter a protective state known as reactive astrogliosis, which involves dramatic cytoskeletal and membrane trafficking changes that limit tissue damage and neuroinflammation. We investigate how actin remodeling and intracellular trafficking pathways support astrocyte functions and regulate the blood–brain barrier. In synapses, the actin cytoskeleton also provides structural support, enables receptor trafficking and mediates long-term synaptic changes underlying memory. A current focus is how cytoskeletal regulation is coordinated with stress signaling and autophagy to enhance synaptic resilience. Our work highlights the importance of actin remodeling as a protective mechanism against synapse dysfunction during ageing and in neurodegenerative conditions. By combining live imaging, genetics, CRISPR/Cas9 editing, and molecular analyses, our multidisciplinary program aims to reveal how cytoskeleton-dependent mechanisms in astrocytes and neurons safeguard the CNS. Understanding these protective pathways will not only advance basic neuroscience but also inform therapeutic strategies for brain injury, ageing, and diseases such as Alzheimer’s.

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Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP)

Research Focus

Synapsen sind zentral für die Informationsverarbeitung im Gehirn. Fehlfunktionen von Synapsen bilden die Grundlage schwerer neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen. Die Entwicklung und Funktion neuronaler Netzwerke hängen wesentlich von der Synthese und Assemblierung präsynaptischer Proteine ab. Diese Prozesse umfassen auch den axonalen Transport von Vesikel- und Active-Zone-Proteinen, die im neuronalen Soma gebildet werden. Wir konnten zeigen, dass ein seltenes spät-endosomales Signallipid den koordinierten axonalen Transport synaptischer Vesikelproteine (SV) und Active-Zone-Proteine in menschlichen Neuronen reguliert. Spannungsgesteuerte Calciumkanäle (VGCCs) sind von diesem Mechanismus hingegen nicht betroffen. Der Transport erfolgt in sogenannten Vorläufervesikeln (PVs). Diese unterscheiden sich klar von klassischen sekretorischen Organellen, Endosomen und lysosomalen Kompartimenten. Vermittelt wird dieser Transport durch einen Proteinkomplex, der die kleine GTPase Arl8A/B sowie das Kinesin KIF1A umfasst und die PVs gezielt zum präsynaptischen Kompartiment leitet. In unveröffentlichten Arbeiten konnten wir zudem zeigen, dass der Verlust von Arl8A/B oder KIF1A (Knockout, KO) in menschlichen Neuronen zu einer reduzierten somatischen Proteinsynthese führt. Parallel dazu ist bekannt, dass viele axonal transportierte Organellen mit mRNAs assoziiert sind, die synaptische oder mitochondriale Proteine kodieren. Auf dieser Grundlage formulieren wir die Hypothese, dass Aufbau, Erhalt und plastische Anpassung von Präsynapsen durch ein koordiniertes Zusammenspiel zweier Prozesse gesteuert werden. Einerseits erfolgt dies über den axonalen Transport somatisch synthetisierter Proteine in PVs sowie in bislang nicht charakterisierten Organellen, etwa im Kontext des VGCC-Transports. Andererseits spielt die lokale Translation der transportierten mRNAs eine zentrale Rolle. Zur Überprüfung dieser Hypothese kombinieren wir mehrere experimentelle Ansätze. Dazu gehören (i) Genom-Editierung in menschlichen Neuronen und Mausmodellen, (ii) quantitative Proteomik mittels pulsed stable isotope labeling by amino acids in cell culture (pSILAC) in Kombination mit Click-Chemie, (iii) Ribosomenprofiling (Ribo-seq) sowie Puromycin-basierte Proximity-Labeling-Methoden, (iv) multimodale Licht- und Elektronenmikroskopie, (v) funktionelle elektrophysiologische Analysen in menschlichen Neuronen sowie (vi) Untersuchungen in Schnittpräparaten genetisch veränderter Mäuse. Wir erwarten, dass diese Studien grundlegende Einblicke in die Rolle des axonalen mRNA-Transports und der lokalen Translation für Biogenese, Stabilität, Plastizität und Funktion von Präsynapsen liefern werden.

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Humboldt-Universität zu Berlin (HU)

Research Focus

Während der beiden vorherigen NeuroCure-Förderperioden haben wir Kanalrhodopsine intensiv charakterisiert, entwickelt und modifiziert und K-selektive, Ca-selektive, rotlichtempfindliche sowie dualfunktionale Kanalrhodopsin-Tandems bereitgestellt, die innerhalb von NeuroCure ein breites Anwendungsspektrum finden (AG Jentsch, Larkum, Mikhaylova, Owald, Plested, Schmitz). Dennoch blieben die Einzelkanal-Leitfähigkeit und die Ein- und Ausschaltkinetik der Tore im leitenden Zustand weitgehend unbekannt. Kürzlich konnte in enger Zusammenarbeit mit Klaus Benndorf (Jena) die Einzelkanal-Leitfähigkeit sowie die Ein-/Ausschaltkinetik der K-selektiven Kanalrhodopsine HcKCR und WiChR (links) überwacht und charakterisiert werden. Beide zeigen zwei leitende Hauptzustände mit variablen Zwischenzuständen, deren Ausprägung vom Membranpotenzial abhängt. Im nächsten NeuroCure-Forschungsprogramm werden wir die Leitfähigkeiten, Selektivitäten und Kinetiken verschiedener Kryptophyten-Kanalrhodopsine weiter analysieren, um die grundlegenden Eigenschaften des Schaltverhaltens und der Selektivität zu verstehen. Wir werden versuchen, die Einzelkanalaufzeichnungen von Xenopus-Oozyten auf neuronale ND-Zellen zu übertragen, indem wir das Rauschen systematisch weiter reduzieren. Die Verfeinerung der Einzelkanalaufzeichnung werden wir durch das Testen neuer Screeningstrategien und Materialien angehen und neue Programme zur Datenanalyse entwickeln. Um die Subzustände auf molekularer Ebene zu verstehen, werden wir in Zusammenarbeit mit Han Sun (FMP) die Dynamik des offenen Zustands bei unterschiedlichen Spannungen simulieren und die Kanalrhodopsine entsprechend weiter entwickeln. Die modifizierten Kanalrhodopsine werden funktionell in Neuronen, Drosophila und Fischen getestet, in enger Zusammenarbeit mit den AGs Schmitz, Mikhaylova, Owald und Judkewitz. Das übergeordnete Ziel ist es, die Technologie zu verbessern und bessere Werkzeuge für optogenetische Anwendungen für die Neurowissenschaften bereitzustellen.

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Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC)

Research Focus

Unsere Gruppe untersucht, warum psychische Erkrankungen – wie Depressionen, Angststörungen und neuroentwicklungsbedingte Störungen – Menschen so unterschiedlich betreffen. Diese Erkrankungen sind oft stark variabel: Einige Personen erleben nur leichte Beeinträchtigungen, während andere in vielen Bereichen des täglichen Lebens erheblich eingeschränkt sind. Wir erforschen die biologischen Grundlagen dieser Variabilität, mit dem Ziel, Mechanismen aufzudecken, die manche Menschen resilient und andere vulnerabel machen. Dazu nutzen wir Mausmodelle für psychische Störungen und verknüpfen Verhaltensphänotypen mit der molekularen Zusammensetzung von Neuronen und Synapsen. Indem wir Veränderungen auf Proteinebene mit spezifischen Verhaltensmustern in Verbindung bringen, wollen wir die zugrunde liegenden biologischen Signalwege identifizieren, die diese Erkrankungen verursachen und modulieren. Ein besonderer Fokus liegt auf geschlechts- und genderbezogenen Unterschieden. Wir untersuchen, wie biologisches Geschlecht und Hormone Resilienz und Risiko beeinflussen.

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Leibniz Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP)

Research Focus

Unser Labor untersucht synaptische Übertragung und Plastizität sowie die Frage, wie abnorme Neurotransmission zu Gehirnerkrankungen beiträgt. Da sich Synapsen in ihrer Funktion stark unterscheiden, konzentrieren wir uns darauf, die Mechanismen aufzudecken, die diese funktionelle synaptische Diversität antreiben. Wir entwickeln Methoden, mit denen wir die molekulare Zusammensetzung von Synapsen erfassen können, und kombinieren diese mit Super-Resolution-Mikroskopie und elektrophysiologischen Analysen. Ziel ist es, den funktionellen Zustand einer Synapse mit ihrem molekularen Profil zu verknüpfen. Diese Methoden setzen wir ein, um ein mechanistisches Verständnis der molekularen Veränderungen zu gewinnen, die neuroentwicklungsbedingten und neurodegenerativen Erkrankungen zugrunde liegen – mit besonderem Schwerpunkt auf der amyotrophen Lateralsklerose (ALS).

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Humboldt-Universität zu Berlin (HU)

Research Focus

Axontragende Dendriten-(AcD-)Neuronen sind eine besondere Klasse exzitatorischer Neuronen, bei denen das Axon nicht vom Soma, sondern von einem basalen Dendriten ausgeht. In diesen Neuronen können synaptische Eingänge auf den axontragenden Dendriten Aktionspotenziale auslösen, ohne dass eine somatische Depolarisation erforderlich ist. Dadurch wird die perisomatische Hemmung umgangen, ein privilegierter Zugang zum axonalen Output ermöglicht und die Teilnahme an spezifischen Netzwerkoszillationen gefördert, die an der Gedächtniskonsolidierung beteiligt sind. Im Hippocampus kommen pyramidenförmige Neuronen mit AcD-Morphologie vor allem im ventralen Bereich vor, wo sie etwa 50 % der Neuronen ausmachen. Diese Clusterbildung deutet darauf hin, dass der Ursprung des Axons räumlich organisiert ist, um schaltkreisspezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Neuere Erkenntnisse legen zudem nahe, dass strukturelle und funktionelle Unterschiede zwischen AcD- und Nicht-AcD-Neuronen – etwa in der AIS-Plastizität – durch neuronale Aktivität moduliert werden können. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass sich Anteile von AcD-Neuronen erfahrungsabhängig reorganisieren (Lehmann et al., 2023; Han et al., 2024). Diese Plastizität kann mit zunehmendem Alter abnehmen und ist bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer (AD) gestört, bei denen sich dendritische Architektur, AIS-Integrität und synaptische Funktion verschlechtern (Criscuolo et al., 2023). Ob und wie diese Veränderungen die Funktion von AcD-Neuronen beeinflussen, ist bislang unklar. Unser Hauptziel ist es, Schlüsselfaktoren zu identifizieren, die die lokale Bildung von AcD-Neuronen im ventralen Hippocampus (vHC) fördern, und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen aufzuklären. Zunächst werden wir untersuchen, ob die Clusterbildung von AcD-Neuronen im vHC mit spezifischen Netzwerkaktivitäten – etwa Sharp-Wave-Ripples – korreliert, da vorläufige Daten darauf hindeuten, dass neuronale Aktivität die Bildung von AcD-Neuronen begünstigt (Lehmann et al., BioRxiv). Darüber hinaus werden wir analysieren, welche zellulären und molekularen Komponenten die Bildung und Umwandlung von AcD-Neuronen im Erwachsenenalter antreiben, mit besonderem Fokus auf der Mikrotubulus-Dynamik und auf MAPs wie Tau und TRIM46, die entscheidend für die Axonbildung und die Entwicklung des AIS sind. Der ventrale Hippocampus ist eng mit dem episodischen Gedächtnis verknüpft. Da dessen Beeinträchtigung ein zentrales Merkmal von Alzheimer ist, werden wir die Populationen von AcD-Neuronen im vHC von AD-Patienten quantifizieren. Diese Ergebnisse sollen klären, ob AcD-Neuronen besonders anfällig für altersbedingten kognitiven Abbau sind.

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Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC) Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB)

Research Focus

Our main goal is to unravel the diverse mechanisms of mammalian gene regulation and their roles in development and disease. We have developed Genome Architecture Mapping (GAM), an orthogonal 3D genome folding mapping technology which yields fine maps of chromatin contacts from small cell numbers (500-1000), and is uniquely powerful to quantify different metrics of 3D genome structure, such as multiway contacts and chromatin melting. With immuno-GAM, we introduced the selection of cell types from complex tissues to enable the application of GAM in rare cells, such as hippocampal pyramidal glutamatergic neurons. GAM is an inherently suited platform for multimodal molecular phenotyping of biological samples, from genome sequence and 3D structure, to transcript and protein quantification. More specifically, within our cluster we will work on the following topics: 1.Perturbations to Chromatin in developmental disorders (e.g. mutations in HP1γ, ATRX, CTCF, SATB2, Shank3) and the effects of epileptic agents. With the help of transgenic mice, we will analyse changes to epigenomic integrity, gene expression and physiology. In close collaboration with Andrew Newman (Charite), Nathalie Berube (London, Canada), Lucia Peixoto (Washington State University), Angel Barco (Alicante), and Georg Dechant (Innsbruck, Austria). 2. Chromatin in Neurodegeneration. In close collaboration with Susanne Wegmann from the DZNE, we will investigate chromatin architectures preceding and following neurodegeneration, such as under pathogenic Tau.

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Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC) Berlin Institute for Medical Systems Biology (BIMSB)

Research Focus

How RNA’s are organized to carry out functions in the spatial and temporal organization of polarized cells such as neurons is still a fundamentally unresolved question in Biology, including systems where RNA localization has been linked to disease mechanisms (e. g. Engel et al. 2020, Agrawal and Welshhans 2021). Important questions are how RNA is trafficked into specific compartments, how their function (including translation) is regulated in these compartments, and how the phenotypes are associated with perturbations. We have started a multi-faceted approach to get some new insights into these questions: 1) To systematically quantify the presence of RNA in neuronal compartments at 0.6 micron resolution, and for 100K cells in one experiment, we are adapting our recently published OPEN-ST (spatial transcriptomics in 3D, at subcellular resolution) (Schott et al Cell 2024) including preparing the flow-cell surface with coatings to promote neuronal adhesion and polarity, optimizing conditions for cultured cells to maximize RNA capture efficiency, and applying the established library preparation and analysis stack of Open-ST with computational adjustments for neurite-rich morphologies. With this setup, transcripts can be mapped across subcellular compartments, including soma, proximal and distal dendrites, and axons, using compartment markers registered to the capture array. This design may allow near-organelle quantification of RNAs and, importantly, enables activity-dependent profiling by applying stimuli such as KCl, bicuculline, BDNF, or forskolin directly on the flow-cell. Fixation at defined intervals then captures transcriptional waves, preserving the spatial and temporal context of dynamic RNA regulation. Since thousands of neuronal mRNAs exhibit compartment-specific localization, this approach can directly address key knowledge gaps in how local translation and trafficking logic support synaptic plasticity and neuronal maintenance. 2) In addition to transcript localization, RNA modifications provide another layer of regulation. Marks such as m6A, which modulates RNA stability and translation, and pseudouridine, which strengthens RNA structure, fine-tune neuronal gene expression. To capture these events within our spatial framework, we will implement enzymatic or chemical modifications directly into the Open-ST workflow. This allows modified transcripts to be preserved and later detected in sequencing output, thereby linking subcellular RNA localization with its chemical state. Combining spatial transcriptomics with modification-aware analysis reveals not only where RNAs reside, but also how their chemical regulation supports neuronal plasticity and, when disrupted, contributes to disease. 3) We are developing machine learning methods (GNN’s) and learning on ST data of various formats (incl. MerFish) to learn subcellular localization patterns of RNA molecules to predict RNA localization and derive from these insights into their functions.

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Charité – Universitätsmedizin Berlin

Research Focus

In unserem Labor untersuchen wir die grundlegenden Prinzipien der synaptischen Übertragung, mit einem besonderen Schwerpunkt auf dem Prozess der Neurotransmitterfreisetzung. Die Aufklärung der Mechanismen synaptischer Übertragung und ihrer Regulation ist zentral für das Verständnis von Gehirnfunktion und -dysfunktion. Wir konzentrieren uns insbesondere auf die molekularen Grundlagen dieses Prozesses an zentralen Synapsen und verwenden dabei eine Kombination aus Elektrophysiologie, zellulärem Imaging, Elektronenmikroskopie, Genetik sowie Struktur-Funktions-Ansätzen. Darüber hinaus interessieren uns Moleküle und Mechanismen, die zur Heterogenität der synaptischen Funktion beitragen. In einem separaten Forschungsprogramm übertragen wir unsere Grundlagenansätze auf die menschliche Pathophysiologie. Dazu nutzen wir ein iPSC-abgeleitetes In-vitro-Kultursystem, das alle drei Hauptzelltypen – glutamaterge und GABAerge Neuronen sowie Gliazellen – umfasst. Dies ermöglicht eine tiefgehende Phänotypisierung zellulärer, synaptischer und Netzwerk-Pathophysiologien und stellt eine translationale Pipeline vom Labor zur klinischen Anwendung für neurologische Erkrankungen wie Epilepsie und Autismus-Spektrum-Störungen bereit.

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Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC) Berlin

Research Focus

The Sanders Lab studies how somatic mutations arise and shape cell states in health and disease. By developing and applying single-cell and multi-omic methods, our lab investigates genome instability processes and their impact on cellular phenotypes. The goal is to understand how genetic mosaicism emerges, evolves, and contributes to tissue function and disease. Genome instability is a hallmark of aging and a potential driver of neuronal decline. Within NeuroCure, we aim to uncover how both inherited and somatically acquired structural variants contribute to neurodegeneration. By combining Strand-seq, a single-cell DNA sequencing technology that detects sister chromatid exchanges and chromosomal rearrangements in individual cells, with long-read genome assemblies of patient samples, we will capture the full spectrum of chromosomal variation across individuals and cell types. This project will investigate how oxidative stress and DNA repair pathways shape structural mutation patterns and remodel molecular signatures that drive disease.

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Freie Universität Berlin

Research Focus

Feeding and metabolism are central to survival and have a profound impact on general health, influencing processes ranging from growth and energy balance to susceptibility to metabolic and psychiatric disorders. Understanding how feeding decisions are regulated at the cellular and circuit level therefore represents a key biological question. In addition, altered metabolic states can compromise cognitive functioning, emphasizing the tight integration of metabolic health with higher-order brain function. The fruit fly Drosophila melanogaster offers an ideal system to uncover fundamental principles, owing to its genetic accessibility, conserved neuromodulatory pathways, and powerful behavioral and physiological assays. Serotonin (5-HT) is a highly conserved regulator of hunger and satiety, yet the cellular and metabolic mechanisms through which it acts remain poorly defined. Emerging evidence suggests that 5-HT influences both mitochondrial function in neurons and metabolic activity in glial cells, processes essential for maintaining excitability and energy balance. Moreover, selective 5-HT reuptake inhibitors (SSRIs) are widely used in psychiatry but their impact on neuronal metabolism and feeding behavior is not well understood. This project aims to dissect how serotonin shapes feeding behavior in Drosophila through three complementary approaches. First, the interaction between 5-HT and co-expressed neuropeptides will be analyzed to clarify how hunger and satiety states are encoded. Second, mitochondrial adaptations in serotonergic neurons under starvation will be investigated to link metabolic plasticity with neurotransmission. Third, 5HT–glia coupling will be studied with a focus on how 5HT and SSRIs influence glial metabolism and feeding behavior. Finally, we will assess how these modulations interact with memory systems to guide cognitive processes, particularly selective memory consolidation. By integrating behavioral assays with advanced biosensors and genetic manipulations, this work will reveal how 5-HT coordinates cellular energy states and circuit dynamics to control feeding and higher cognitive tasks. The findings will not only establish a mechanistic framework for 5HT’s role in nutrient sensing but also provide insight into how pharmacological interventions such as SSRIs alter metabolism and behavior.

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Charité – Universitätsmedizin Berlin

Research Focus

Unser Labor interessiert sich für Synapsen und neuronale Schaltkreise, sowohl in Gesundheit als auch in Krankheit. Um unsere Ziele zu erreichen, nutzen wir einen multidisziplinären Ansatz. Durch die Kombination von Einzelzell- bis Mehrzellaufzeichnungen versuchen wir, die Rolle einzelner Neuronentypen in komplexen Netzwerken zu verstehen. Darüber hinaus verwenden wir Optobiologie – beispielsweise funktionelle Mikroskopie und Optogenetik –, um die Dynamik neuronaler Prozesse zu untersuchen. Konkret werden wir innerhalb unseres Clusters an folgenden Themen arbeiten: 1. Neuronale Schaltkreise. Wir untersuchen, wie neuronale Netzwerke oszillatorische Aktivität erzeugen und wie sich diese Aktivität innerhalb und zwischen verschiedenen Gehirnarealen ausbreitet. Zusätzlich analysieren wir die Konnektivität zwischen verschiedenen Gehirnregionen und die Rolle dieser Interaktionen im Verhalten. Diese Arbeit erfolgt in enger Zusammenarbeit mit Michael Brecht. 2. Pathophysiologie von Entwicklungsstörungen. Dazu zählen Autismus (z. B. Mutationen in SHANK) und Epilepsie (z. B. SYNGAP). Mithilfe transgener Tiermodelle, sowohl Mäuse als auch Ratten, analysieren wir die krankheitsbedingten Veränderungen in neuronalen Netzwerken. In Kooperation mit Markus Schülke von der klinischen Abteilung, Ralf Kühn (MDC) und Sarah Shoichet (Charité) entwickeln wir zudem Proof-of-Principle-Konzepte für Gentherapieansätze. 3. Autoimmunenzephalitis. In enger Zusammenarbeit mit Harald Prüss und Susanne Wegmann von der Klinik für Neurologie und dem DZNE untersuchen wir die Rolle von Antikörpern (z. B. NMDA, LGI-1) bei neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickeln wir neue therapeutische Interventionen, einschließlich zellbasierter Ansätze wie CAAR-T-Zellen.

Affiliation

Humboldt Universität zu Berlin, Institute for Theoretical Biology

Research Focus

Neuronal networks display a remarkable richness of collective behaviors – from tightly synchronized rhythms to chaotic activity – that are often altered in neurological disease. These states emerge from the interplay between network connectivity and countless cellular mechanisms, yet our mechanistic understanding of which cellular features drive or constrain such dynamics remains incomplete. Our recent studies highlight how the fine-scale dynamics of individual neurons can propagate to the macroscopic level, fostering synchronization, desynchronization, or chaotic transitions. In this project, we aim to unravel the less obvious determinants of such dynamics. Rather than attributing excitability and neural dynamics solely to action-potential generating ion channels, we explore a wider landscape: dendritic and axonal arborization, the activity of ion pumps such as Na⁺/K⁺-ATPase, neuromodulatory and peptidergic influences, dendritic ion channel properties, receptor kinetics, and the energetic status of mitochondria. By focusing on the spatial organization of these parameters across neuronal compartments, we seek to uncover how subtle intrinsic differences reconfigure excitability, producing network-level consequences such as aberrant rhythmicity or depolarization block – phenomena closely linked to disease states. Leveraging advanced mathematical modeling informed by increasingly detailed experimental datasets of high spatial resolution, this project seeks to provide a mechanistic framework connecting single-cell biophysics to pathological network activity, with the long-term goal of identifying novel intervention points in brain disorders.

Affiliation

Freie Universität Berlin (FU)

Research Focus

Our future research will explore how intracellular organelle dynamics and local synaptic mechanisms jointly safeguard brain function during aging. Using Drosophila as a genetically tractable model, we aim to dissect how synaptic resilience is maintained or lost in the face of advancing age, with particular emphasis on presynaptic remodeling, autophagic flux, and mitochondrial function. Building on our prior work on synaptic scaffold dynamics and presynaptic plasticity, we now focus on how aging affects the trafficking and integration of organelles such as endosomes, lysosomes, and mitochondria at synaptic sites. We are particularly interested in identifying conserved molecular modules that mediate the coupling between metabolic state, organelle positioning, and synaptic integrity. Combining high-resolution imaging, functional readouts, and proteomic profiling in aging Drosophila brains, we aim to reveal how age-dependent changes in organelle function contribute to synaptic decline. In parallel, we will develop tools to selectively manipulate these modules in space and time, both to understand their fundamental roles and to test potential interventions. Through comparative studies with mammalian systems, including collaborations within the NeuroCure network, our work aspires to identify shared principles of brain maintenance and resilience. In the long term, we hope to contribute to translational strategies aimed at preserving cognitive function in aging and neurodegenerative disease.

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Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE)

Research Focus

Die intraneuronale Akkumulation von phosphoryliertem Tau ist ein pathologisches Kennzeichen in >20 neurologischen Erkrankungen und korreliert mit synapto- und neurotoxischen Effekten in Tau-assoziierten neurodegenerativen Erkrankungen. Dazu gehören die Alzheimer-Krankheit und Subtypen der frontotemporalen Demenz, aber auch Erkrankungen wie Schlaganfall, Epilepsie und Autoimmunerkrankungen. Ein gemeinsames Merkmal dieser Erkrankungen ist eine ausgeprägte Dysregulation der neuronalen Aktivität (akut, langfristig oder wiederkehrende Überanregung). Die Identifikation spezifischer und gemeinsamer Mechanismen, die der pathophysiologischen „Aktivierung“ und Toxizität von Tau in diesem vielfältigen Spektrum an Gehirnerkrankungen zugrunde liegen, wird ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung krankheitsspezifischer und allgemeiner Tau-gerichteter Interventionsstrategien sein. In unserer Forschungsgruppe untersuchen wir verschiedene Aspekte der Tau-Pathobiologie mit dem Ziel, zelluläre und molekulare Mechanismen zu identifizieren, die zur Tau-Aktivierung und Toxizität in der Alzheimer-Krankheit und in Tauopathien beitragen, mit dem Ziel, diese anschließend in neuartige therapeutische Ansätze zu übersetzen. Aktuelle Forschungsthemen behandeln (i) die Hypothese, dass aberrante und übersteigerte neuronale/Netzwerk-Aktivitätsmuster der physiologischen Tau-Aktivierung im Gehirn vorausgehen – als Teil einer Aktivitäts-Stressantwort. (ii) Die bislang wenig erforschte Aktivität von Tau im und am neuronalen Zellkern, einschließlich Protein- und Nukleinsäure-Interaktionen, welche die Genexpressionslandschaft prägen. (iii) Der Unterschied zwischen physiologischen und pathologischen Interaktionen von Tau mit Organellen (Mitochondrien und Lysosomen). Und (iv) die neuronale Funktion und die Treiber der biomolekularen Kondensation von Tau sowie deren Zusammenhang mit Aggregationspathologie; derzeit mit Schwerpunkt auf Studien zur Rolle von Chaperonen und RNA. Zur Beantwortung dieser Fragen verwenden wir ein breites Spektrum an Modellen und Techniken. Dazu gehören biochemische und biophysikalische Analysen, rekombinante Protein-Assays zur Rekonstruktion von Tau-Kondensations- und Aggregationsprozessen, postmortales menschliches Gehirngewebe, Zelllinien und Maus- und menschliche neuronale Kulturen, organotypische und akute Mausgehirnschnitte, innovative virale Vektoransätze, Calcium-Imaging, Mikroskopie und Omics-Ansätze. Die Forschung in unserer Arbeitsgruppe ist hochgradig interdisziplinär und kollaborativ und überbrückt die Bereiche Altern und Erhaltung innerhalb von NeuroCure. Bitte kontaktieren sie uns, wenn Sie Interesse daran haben, Ideen und wissenschaftliche Fragestellungen rund um Tau sowie Mechanismen der Alzheimer-Krankheit und Tauopathien zu diskutieren.