Was uns wissenschaftlich auszeichnet

1 · Tiefe Hirnstimulation wirkt netzwerkweit – und braucht Zeit

Langzeitige pallidale THS verändert nicht nur die Aktivität am Stimulationsort. Sie reorganisiert synaptische Muster im motorischen Thalamus und Cortex, normalisiert krankhafte Aktivität im Cerebellum und reduziert die Dystonie im dtSZ-Modell erst nach anhaltender kontinuierlicher Stimulation. Damit wird die verzögerte therapeutische Wirkung als Ausdruck verteilter Netzwerkplastizität mechanistisch fassbar.

2 · Biomarker und Modelle machen Neurostimulation präziser

Biophysikalische Großnetzwerk- und Volumenleitermodelle verbinden Anatomie, Dynamik und Stimulation. Sie identifizieren frequenzabhängige Effekte, vielversprechende Zielregionen und messbare Netzwerkzustände. Zusammen mit modularen Stimulationsplattformen und hochdichten Elektrodenarrays entsteht die Grundlage für prädiktive Marker und adaptive, rückkopplungsgesteuerte THS.

3 · Epileptogenese ist eine Störung von Ionenkanälen und Immunnetzwerken

Arbeiten zu KCa2/SK-, Kv7.2/7.3-, HCN- und GluN2B-abhängiger Plastizität zeigen, wie anhaltende Kanalveränderungen synaptische Erregbarkeit und Krankheitsprogression prägen. Parallel belegen Antikörpermodelle, dass Autoimmunreaktionen neuronale Schaltkreise direkt verändern können. Daraus entstehen Ansatzpunkte für antiepileptogene und immunmodulatorische Therapien.

4 · Schlaganfall – eine neurologische Funktionsstörung mit komplexen Pathomechanismen

Schlaganfall ist laut WHO eine der weltweit führenden Ursachen für Mortalität und Behinderung. Um die komplexen pathophysiologischen Zusammenhänge genauer untersuchen zu können, werden im Institut verschiedene ex vivo und in vivo Modelle für die Untersuchung des ischämischen und des hämorrhagischen Anfallsgeschehens genutzt. Daraus werden neuroprotektive Mechanismen abgeleitet und charakterisiert, welche zukünftig Therapieoptionen entscheidend verbessern sollen.

5 · Tumorneurophysiologie verbindet Krebsbiologie und Anfallskontrolle

Das Institut untersucht Gliome als aktive Bestandteile neuronaler Netzwerke. Ein glutamaterges Biomarkerpanel unterscheidet hochgradige Gliome/Astrozytome von Hirnmetastasen; im F98-Modell reduziert Cenobamat epileptiforme Aktivität. Hochdichte MEA-Messungen eröffnen zudem einen systematischen Zugang zum Netzwerkphänotyp tumorassoziierter Epilepsie.

6 · Elektrische Felder steuern Zellen, Gewebe und Regeneration

Galvanotaxis- und Impedanzstudien zeigen, dass elektrische Felder die Migration von Tumorzellen und Osteoblasten beeinflussen und sich zugleich zur Überwachung von Gewebereifung nutzen lassen. Ergänzend erweitert die experimentelle Mikrostrahltherapie das klassische Langendorff-Präparat zu einem Modell für die funktionelle Prüfung extremer räumlich fraktionierter Bestrahlung.

Schlüsselpublikationen

1. Santana Kragelund et al. (2026). Investigating the Network-Wide Mechanisms of Pallidal Deep Brain Stimulation Using High-Density Microelectrode Arrays Journal of Visualized Experiments 232. Methodischer Referenzpunkt für die hochauflösende Analyse verteilter THS-Effekte.
2. Franz et al. (2025). Network-wide modulation of synaptic plasticity and spike patterns in motor circuits after pallidal deep brain stimulation in a dystonia model Neurobiology of Disease 214:107037. Zeigt die Reorganisation thalamo-kortikaler Synapsen nach Langzeit-THS.
3. Kotyra et al. (2025). Effects of longer-term pallidal stimulation on the severity of dystonia in a phenotypic animal model Experimental Neurology 396:115548. Belegt die verzögerte Symptomreduktion nach zehn Tagen kontinuierlicher THS.
4. Santana Kragelund et al. (2024). Network-wide effects of pallidal deep brain stimulation normalised abnormal cerebellar cortical activity in the dystonic animal model Neurobiology of Disease 205:106779. Verankert das Cerebellum in der netzwerkweiten Wirkung pallidaler THS.
5. Spiliotis et al. (2024). Utilising activity patterns of a complex biophysical network model to optimise intra-striatal deep brain stimulation Scientific Reports 14:18919. Verknüpft Netzwerkzustände mit der rechnergestützten Optimierung von Stimulation.
6. Müller et al. (2024). Persistent Kv7.2/7.3 downregulation in the rat pilocarpine model of mesial temporal lobe epilepsy Epilepsy Research 200:107296. Identifiziert persistente Kanalplastizität als Bestandteil der Epileptogenese.
7. Lange et al. (2024). A glutamatergic biomarker panel enables differentiating Grade 4 gliomas/astrocytomas from brain metastases Frontiers in Oncology 14:1335401. Überführt glutamaterge Tumorneurophysiologie in einen diagnostischen Markeransatz.
8. Forberger et al. (2025). Cenobamate reduces epileptiform activity in the ex vivo F98 rat glioma model Frontiers in Neuroscience 19:1629259. Eröffnet eine neue pharmakologische Perspektive für tumorassoziierte Epilepsie.
9. Engel et al. (2023). Combining Electrostimulation with Impedance Sensing to Promote and Track Osteogenesis within a Titanium Implant Biomedicines 11:697. Demonstriert die Kopplung von Stimulation und Sensorik in regenerativen Implantaten.
10. Reichart et al. (2026). Reduced Cerebral Infarct Volume in Young UCP2−/− Mice and Preserved Synaptic Transmission by Genipin Cells 2026, 15(14), 1299. Zeigt die neuroprotective Wirksamkeit von Genipin bei Hirninfarkt.

Drittmittel, Verbünde und wissenschaftliche Allianzen

DFG-Sonderforschungsbereich 1270 ELAINE · Teilprojekte C03 & S01

Aktuell · dritte Förderperiode seit 2026. C03 „Tiefe Hirnstimulation in Dystonie-Modellen“ untersucht langfristige synaptische und zelluläre Plastizität, cholinerge und dopaminerge Modulation sowie prädiktive Biomarker. Elektrophysiologie, Hochdichte-MEA, Immunhistochemie und mathematische Modellierung werden mit Implantat- und Stimulationstechnik verzahnt. Projektleitung: Rüdiger Köhling und Franziska Richter Assêncio.

Aktuell · dritte Förderperiode seit 2026. S01 „Verbesserung der Metrologie und Instrumentierung von Elektrostimulationsexperimenten“ schafft eine gemeinsame messtechnische Basis für den Verbund. Das Projekt entwickelt wiederverwendbare Verfahren zur umfassenden Charakterisierung von Stimulationsgeräten und Elektroden über relevante Frequenzen, unterstützt die Anwendung und Verkapselung von In-vitro- und In-vivo-Stimulationssystemen und stärkt damit Standardisierung, Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit. Projektleitung: Christian Haubelt und Denise Franz; ihre Verstetigung am Oscar-Langendorff-Institut seit 2024 steht zugleich für die erfolgreiche Entwicklung von ELAINE-Nachwuchs in eigenständige Leitungsverantwortung.

DFG-geförderte Grundlagenlinien

Abgeschlossene Einzelprojekte bilden die mechanistische Basis des heutigen Profils:

1. Pathophysiologie primärer paroxysmaler Dystonien im genetischen Hamstermodell
2. pathologische Regulation von SK-Kaliumkanälen in Epilepsiemodellen
3. präsynaptische HCN-Kanäle, axonaler Transport und synaptische Metaplastizität
4. neokortikale Erregbarkeitsveränderungen bei Gliominvasion

Transdisziplinäre Kooperation

Das Institut arbeitet eng mit Mathematik, theoretischer Elektrotechnik, Neurochirurgie, Neurologie, Urologie, Kinderchirurgie, Strahlentherapie, Tumorbiologie und Materialwissenschaften zusammen. Diese Struktur verbindet mechanistische Physiologie mit Modellierung, Implantatentwicklung, humanem Operationsmaterial und klinisch relevanten Endpunkten.

Technologieplattform

1. Multiskalen-Elektrophysiologie: Whole-cell Patch-Clamp, Feldpotentiale, EEG/EMG und akute Hirnschnittpräparate.
2. Hochdichte Netzwerkmessung: Multi-Elektroden-Arrays, räumliche Aktivitätskarten und datengetriebene Signalanalyse.
3. Neuromodulation: chronische THS, modulare präklinische Stimulationssysteme, Frequenz- und Zieloptimierung.
4. Computational Neuroscience: biophysikalische Netzwerkmodelle, Volumenleitermodelle und equation-free control.
5. Translationale Modelle: Dystonie, Epilepsie, Schlaganfall, Gliom und Autoimmunenzephalitis; zusätzlich humanes Resektionsgewebe und patientenabgeleitete Tumorzellen.
6. Elektroaktive Gewebe: Galvanotaxis, Impedanzmessung, elektrische/mechanische Stimulation und regenerative Implantate.
7. Molekulare Validierung: Immunhistochemie, Expressions- und Biomarkeranalysen sowie funktionelle Pharmakologie.

Unser Anspruch: Physiologische Mechanismen so präzise zu verstehen, dass daraus messbare Marker, überprüfbare Modelle und bessere Interventionen entstehen – für Erkrankungen, bei denen Zellen, Netzwerke und technische Systeme gemeinsam gedacht werden müssen.