Synapsen mit perfekter Choreographie

Mikroskopische Aufnahme der Großhirnrinde einer Maus. Einige Neuronen wie das Pyramiden-Neuron mit großem Dendritenbaum in der Bildmitte exprimieren grün fluoreszierendes Protein.Rot gefärbt sind GABA-produzierende Interneuronen zu sehen.(Länge des Maßstabs unten rechts: 100 µm)

Foto: Wei-Chung Allen Lee, Hayden Huang, Guoping Feng, Joshua R. Sanes, Emery N. Brown, Peter T. So, Elly Nedivi
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Erfahrungen verändern Synapsen, die Verbindungen zwischen Nervenzellen. Dies ist die Grundlage von Lernen und Gedächtnis. Eine neue Studie weist erstmals nach, dass langfristige Veränderungen auf den beiden Seiten einer Synapse perfekt aufeinander abgestimmt sind.

Die Reizübertragung im Nervensystem funktioniert über spezielle Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen, den Synapsen. Dort veranlasst ein elektrischer Impuls der präsynaptischen Nervenzelle – also derjenigen, von der der Reiz ankommt – das Freisetzen bestimmter Botenstoffe. Diese diffundieren durch einen winzigen Spalt zur gegenüberliegenden – postsynaptischen – Nervenzelle und bewirken dort die Öffnung von Ionenkanälen. Dadurch fließt elektrischer Strom und der Reiz wird weitergeleitet.

Die Stärke der Reizübertragung hängt vom Vorrat an Botenstoffen ab, von deren Freisetzungswahrscheinlichkeit und von der Höhe des in der postsynaptischen Zelle ausgelösten elektrischen Signals. Die Veränderlichkeit dieser Eigenschaften – die sogenannte synaptische Plastizität – ist Grundlage ständiger Umstrukturierungen im Gehirn, ohne die Gedächtnis und Lernen nicht möglich wären. „Aufgrund indirekter Messungen bestand schon länger die Hypothese, dass sich dabei prä- und postsynaptische Veränderungen im Lauf der Zeit angleichen, also ein größerer Vorrat an Botenstoffen auf der einen Seite langfristig auch mit einer größeren Andockstelle auf der anderen Seite und damit einem größeren Stromfluss einhergeht“, sagt Professor Andreas Herz, LMU-Neurobiologe und Sprecher des Bernstein Zentrums für Computational Neuroscience.

Allerdings konnten diese langsamen Veränderungen noch nie direkt nachgewiesen werden – bis jetzt: „Der Durchbruch wurde erzielt, als wir ein von mir neu entwickeltes Analyseverfahren zur Bestimmung synaptischer Eigenschaften auf Daten anwendeten, die Schweizer Kollegen vor und nach zwölfstündigen Phasen neuronaler Aktivität gewonnen hatten“, freut sich Dr. Alex Loebel, Wissenschaftler in Herz' Gruppe und Erstautor der neuen Studie. Dabei gelang den Wissenschaftlern nicht nur der Nachweis, dass die Hypothese korrekt ist: „Zu unserer großen Überraschung passen sich prä- und post-synaptische Veränderungen selbst bei zehnfacher Vergrößerung oder Verkleinerung auf wundersame Weise exakt aneinander an“, sagt Loebel.

Auf langen Zeitskalen scheint synaptische Plastizität damit als ein Ein- oder Ausbau elementarer Bausteine erklärbar zu sein, die über den synaptischen Spalt hinweg operieren. „Mit diesem Erfolg konnten wir einen wichtigen Beitrag für das Verständnis der neuronalen Grundlagen von Lernen und Gedächtnis liefern“, sagt Loebel, „aber noch sind viele Fragen offen“. Wie die beiden durch eine Synapse verbundenen Zellen miteinander kommunizieren, um sich so fein abzustimmen, welche molekularen Signalwege hierfür nötig sind, und was die beobachteten Änderungen initiiert, sind dabei nur einige der Punkte, die die Wissenschaftler weiter aufklären möchten.

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München