Synapsen in der Großhirnrinde reagieren empfindlicher als jene im hinteren Teil des Gehirns

Forschende des Carl-Ludwig-Instituts der Universität Leipzig haben herausgefunden, dass die synaptische Signalübertragung zwischen Gehirnzellen im Kortex bereits bei geringen Mengen von Kalzium-Ionen sehr zuverlässig funktioniert. Im hinteren Hirnbereich ist das anders.

Eine synaptische Signalübertragung wird ausgelöst, wenn sich in der Sender-Nervenzelle befindliche Kalzium-Ionen an spezifische Sensorproteine binden und infolge dessen Neurotransmitter aus der Zelle ausgeschüttet werden. Die Empfängerzelle reagiert mit einem messbaren elektrischen Signal.

Dennoch gibt es in verschiedenen Bereichen des Gehirns wesentliche Unterschiede, die sich auf die Signalübertragung auswirken können: etwa die Größe der Nervenzellen, Anzahl der Synapsen und auch die Beschaffenheit der kalziumbindenden Sensorproteine innerhalb der Zellen.

Sensorprotein entscheidend

„Wir wissen schon länger, dass die Übertragung in der Großhirnrinde, also dem Kortex, sehr viel zuverlässiger erfolgt als in anderen Regionen des Gehirns“, erklärt Prof. Hartmut Schmidt vom Carl-Ludwig-Institut (CLI) der Medizinischen Fakultät, Leiter der vorliegenden Studie. „In unserer aktuellen Arbeit haben wir herausgefunden, dass das Sensorprotein dort, Synaptotagmin 1 genannt, bereits auf eine viel geringere Kalziumkonzentration in der Synapse reagiert und die Signalübertragung anstößt als beispielsweise das bereits seit 25 Jahren erforschte Sensorprotein in Zellen im hinteren Bereich des Gehirns, das Synaptotagmin 2“, berichtet der Biologe. „Die Eigenschaften von Synaptotagmin 1 scheinen dazu beizutragen, dass die von uns untersuchten kortikalen Synapsen nicht nur zuverlässiger, sondern auch plastischer sind – eine Grundvoraussetzung dafür, dass sich das Gehirn innerhalb des Lebens an neue Anforderungen anpassen kann.“

Die genaue Kenntnis dieser Faktoren im gesunden Gehirn legt die Basis dafür, gestörte Prozesse etwa bei Hirnerkrankungen zu erkennen und Therapieansätze zu entwickeln. „Aber auch für die Weiterentwicklung neuronaler Netzwerke in der Computerindustrie könnten diese Erkenntnisse relevant sein“, erklärt Schmidt.

Untersucht wurden die Zellen im primären somatosensorischen Kortex im Gehirngewebe von Mäusen. Für ihre Versuchsreihe kombinierten die Forschenden mehrere Methoden: Sie maßen die elektrischen Signale von miteinander verbundenen Pärchen von Nervenzellen per Patch-Clamp-Technik. Zeitgleich kontrollierten und maßen sie die Kalziumkonzentration in den Synapsen – und zwar mittels eines UV-Lasers und eines Zwei-Photonen-Laser-Mikroskops.

Zudem entwickelten sie ein eigenes Verfahren, das sie „axon walking“ nennen. Dieses ermöglicht, entlang der Nervenzellfortsätze die jeweils gerade aktiven vier bis fünf Synapsen aufzuspüren. Diese sind nur etwa eintausendstel Millimeter groß.

Anhand der Daten entwickelten die Wissenschaftler für das untersuchte Sensorprotein ein detailliertes mathematisches Modell, das auch für andere Forschungsgruppen nutzbar ist. Aktuelle Anschlussvorhaben widmen sich der Frage, ob sich die synaptische Signalübertragung innerhalb verschiedener Bereiche der Großhirnrinde noch mehr differenzieren lässt.

Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem European Research Council (ERC) gefördert.