Struktur und Funktion wichtiger Synapsen im Kleinhirn entschlüsselt

Ob es darum geht, einen kleinen Gegenstand aufzuheben oder verschiedene Körperteile zu koordinieren – das Kleinhirn erfüllt wesentliche Funktionen für die Steuerung unserer Bewegungen. Wissenschafter am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) untersuchten, wie eine entscheidende Gruppe von Synapsen zwischen Neuronen in diesem Gehirnareal funktioniert und sich entwickelt.

„Jedes Mal, wenn ich klettern gehe, nutze ich die komplexen Verbindungen zwischen den Neuronen – die Synapsen – in meinem Kleinhirn. In diesem Projekt wollten wir verstehen, wie sie tatsächlich funktionieren“, bringt Peter Jonas, Magdalena-Walz-Professor for Life Sciences am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), seine Forschung mit seinen Alltagserfahrungen in Verbindung. In einer neuen Studie haben die Wissenschafter aus Jonas Forschungsgruppe gemeinsam Walter Kaufmann von der Electron Microscopy Facility des ISTA und mit maßgeblicher Unterstützung von ISTA-Professor Ryuichi Shigemoto einige der zentralen Mechanismen in den Synapsen des Kleinhirns entschlüsselt.

Kontrollierende Synapsen

„Das Kleinhirn erhält viele Signale von anderen Teilen des Gehirns und von sensorischen Systemen, aber seine Ausgangssignale, welche die Bewegungen steuern, laufen alle über eine wichtige Art von Neuron, die Purkinje-Zelle“, erklärt Doktorandin Jingjing Chen. „Und alle diese Purkinje-Zellen erhalten ihrerseits über ihre Eingangssynapsen viele Signale von anderen Neuronen im Kleinhirn. Wir haben uns eine bestimmte Art von Synapse angesehen, welche die Aktivität der Purkinje-Zellen hemmt und eine entscheidende Rolle bei der Steuerung ihrer Ausgangssignale spielt.“

Die Purkinje-Zellen im Kleinhirn bilden ein Nadelöhr für die Signale der motorischen Steuerung. Aber viele Aspekte, wie dies auf molekularer und zellulärer Ebene geschieht, waren bisher unklar. In ihrer Studie haben die Forscher nun die Details der hemmenden Synapsen dieser Zellen erklärt.

Die Wissenschafter verwendeten dazu subzelluläres Patch-Clamp-Recording, das von einer fortschrittlichen Mikroskopietechnik, der konfokalen Bildgebung, unterstützt wurde, um die Funktion dieser Synapsen im Detail zu studieren. Parallel dazu untersuchten sie mithilfe von Elektronenmikroskopie die Struktur der Synapsen mit der höchstmöglichen Auflösung. Einige der Zellteile sind nur wenige Nanometer groß. Chen und ihre Kollegen erfassten verschiedene Parameter der Synapsen, beispielsweise wo und wie oft Neurotransmitter freigesetzt werden, sowie die Größe der winzigen Bläschen, welche die Neurotransmitter enthalten, um ein Computermodell des gesamten Prozesses zu erstellen. Sie führten ihre Untersuchungen mit Neuronen aus Gehirnen von Mäusen in verschiedenen Altersstufen durch, um ihre Entwicklung im Laufe der Zeit zu verstehen.

Jonas, der das Computermodell entwickelt hat, fügt hinzu: „Der Aufbau eines Modells ermöglicht es, ein System richtig zu verstehen, und liefert außerdem neue Ideen für künftige Experimente. Man muss jedoch vorsichtig sein und das Modell mit experimentellen Daten auf dem Boden der Realität halten.“

Mit ihrem Computermodell, das die Vorgänge in verschiedenen Entwicklungsstadien vom frühen bis zum erwachsenen Alter simuliert, konnten die Wissenschafter sehen, wie die hemmenden Synapsen der Purkinje-Zellen im Kleinhirn die Ausgangssignale der Zelle beeinflussen und so die Feinsteuerung der motorischen Fähigkeiten ermöglichen.

Wachsende Struktur

„Wir haben festgestellt, dass im frühen Alter alle Mechanismen in der Synapse ziemlich zufällig organisiert sind und in ihren Funktionen nicht so genau sind“, erklärt Kaufmann die Ergebnisse. „Mit zunehmender Reifung der Neuronen wird die Synapse strukturierter, nähert sich einer viel genaueren Konfiguration an und erreicht dadurch ein höheres Maß an funktioneller Präzision.“ Chen, die nach ihrer Promotion ihre Arbeit zum Kleinhirn fortsetzen will, fügt hinzu: „Das Knifflige war, dass wir die Zellen nicht einfach direkt fragen können, wie sie funktionieren. Stattdessen müssen wir Schnappschüsse – also Messungen – in verschiedenen Entwicklungsstadien machen und daraus auf die Prozesse und die Gesamtstruktur dahinter schließen.“

Das Verständnis dieser Art von Synapsen ist nicht nur ein spannendes Unterfangen für die Grundlagenforschung, sondern könnte Forschern in Zukunft sogar helfen, neurologische Krankheiten zu verstehen, deren Ursache in einer Fehlfunktion von Synapsen im Gehirn vermutet wird.