Synaptische Übertragung ist keine Einbahnstraße

Als Neurowissenschaftler am Institute of Science and Technology (IST) Austria die exakten Eigenschaften von Nervenverbindungen im Gehirn analysierten, machten sie eine verblüffende Beobachtung: An Synapsen werden Nachrichten auch gegen den üblichen Informationsstrom gesendet.

Im Gehirn fließen Informationen in eine genau definierte Richtung: vom präsynaptischen zum postsynaptischen Neuron. Nun zeigen Peter Jonas und seine Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), dass Information aber auch in die entgegengesetzte Richtung wandert, und zwar an einer Schlüsselsynapse im Hippocampus. An der sogenannten Moosfaser-Synapse beeinflusst das postsynaptische CA3-Neuron, wie das präsynaptische Moosfaser-Neuron Signale feuert. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass retrograder Informationsfluss für die präsynaptische Plastizität physiologisch relevant ist”, sagt Dr. Yuji Okamoto, Postdoc in der Gruppe von Prof. Peter Jonas am IST Austria.

Die Moosfaser-Synapse ist entscheidend für das Speichern von Information im neuronalen Netzwerk. Die Signalübertragung an dieser Synapse ist plastisch, das heißt, dass eine variable Menge Neurotransmitter in die Synapse freigesetzt wird. Um den Mechanismus der Plastizität in dieser Synapse zu verstehen, stimulierte Okamoto präzise das präsynaptische Terminal der Moosfaser-Synapse im Rattenmodell und zeichnete gleichzeitig die Reaktion des postsynaptischen Neurons auf. „Wir müssen die genauen Eigenschaften der Synapse kennen – mit den exakten Werten zum Beispiel für ihre Leitfähigkeit – damit wir ein exaktes Modell dieser Synapse erstellen können”, ergänzt Jonas.

Smarter Lehrer reagiert auf überforderte Schüler

Unerwarteterweise fanden die Forscher heraus, dass die Plastizität im präsynaptischen Neuron vom postsynaptischen Neuron beeinflusst wird. Bisher wurde angenommen, dass die Moosfaser-Synapse eine „Lehrersynapse” ist, die das Feuern des postsynaptischen Neurons veranlasst. „Stattdessen haben wir festgestellt, dass diese Synapse wie ein ‚smarter Lehrer’ agiert, der den Unterricht anpasst, wenn die Schüler mit Information überladen sind. Ähnlich erkennt die präsynaptische Moosfaser, wenn das postsynaptische Neuron keine Information mehr aufnehmen kann: Wenn die Aktivität im postsynaptischen Neuron zunimmt, reduziert das präsynaptische Neuron das Ausmaß der Plastizität”, erklärt Jonas.

Dieses Ergebnis wirft die Frage auf, wie das postsynaptische Neuron die Information über seinen Aktivitätsstatus an das präsynaptische Neuron sendet. Pharmakologische Hinweise deuten den Forschern zufolge auf eine Rolle von Glutamat hin, eine der Schlüsselchemikalien oder Neurotransmitter, die von Neuronen verwendet werden, um Signale an andere Zellen zu senden. Glutamat ist auch der Transmitter, der von präsynaptischen Moosfaserendigungen freigesetzt wird. Wenn der Kalziumspiegel im postsynaptischen Neuron ansteigt – ein Zeichen dafür, dass das Neuron aktiv ist – kann es Glutamat-gefüllte Vesikel in die Synapse freisetzen. Das Glutamat wandert zurück zum präsynaptischen Neuron, entgegen der üblichen Richtung des neuronalen Informationsflusses. „Diese retrograde Modulation der Plastizität hilft wahrscheinlich dabei, Information besser im nachgeschalteten Hippocampus-Netzwerk zu speichern”, erklärt Jonas und fügt hinzu: „Einmal mehr haben exakte Messungen gezeigt, dass die Realität komplexer ist, als es ein vereinfachtes Modell vermuten lässt.”

Originalpublikation:
Vandael D et al. Transsynaptic modulation of presynaptic short-term plasticity in hippocampal mossy fiber synapses. Nat Commun 2021;12(1):2912.