Beteiligtes Bernstein Mitglied: Julijana Gjorgjieva

/MPI Hirnforschung, Epstein/ Jüngste Technologiesprünge in den Neurowissenschaften haben es ermöglicht, tief in das Gehirn zu blicken und die Kommunikation einzelner Neuronen aufzuzeichnen. Neuronen kontaktieren Tausende von anderen Neuronen über Synapsen, hochspezialisierte Verbindungen zwischen dem Axon eines Neurons (dem Bereich, der Informationen sendet) und dem Dendriten eines anderen Neurons (dem Bereich, der Informationen empfängt). Synapsen, die sich auf demselben Abschnitt eines Dendriten befinden, sind oft gemeinsam aktiv, ein Phänomen, das als synaptisches Clustering beschrieben wird. Die mechanistischen Ursprünge des synaptischen Clusterns sind jedoch noch nicht geklärt. Mit Hilfe von Computermodellierung erlangen Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt nun wichtige Erkenntnisse über die synaptische Organisation in verschiedenen Tierarten, basierend auf einem einfachen Parameter: der Größe des Kortex.

Neuronen im sich entwickelnden Gehirn werden bereits vor der vollen Entwicklung der Sinnesorgane präzise miteinander verbunden. Spontane Aktivität spielt eine entscheidende Rolle bei der Verfeinerung dieser neuronalen Schaltkreise. Neuronale Aktivität ist essentiell für die Feinabstimmung von Synapsen während der Entwicklung des visuellen Systems.

„Neue experimentelle Studien haben eine erstaunliche Menge an synaptischer Organisation in verschiedenen Tierarten von Nagetieren bis hin zu Primaten offenbart. Synaptische Cluster wurden bereits in theoretischen Studien Anfang der 90er Jahre vorhergesagt, aber ihre Existenz wurde erst kürzlich experimentell bestätigt. Dies eröffnet viele neue, spannende Fragen“, sagt die Leiterin der Max-Planck-Forschungsgruppe, Dr. Julijana Gjorgjieva. Ihre neue Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Wie organisieren sich Synapsen? Woher kommen die artspezifischen Unterschiede in der synaptsichen Zusammensetzung?

Gjorgjieva und ihr Doktorand Jan Kirchner erstellten ein Computermodell eines Dendriten mit Synapsen im sich entwickelnden Gehirn. Sie berücksichtigten dabei einige der wichtigsten Signalmoleküle, von denen bekannt ist, dass sie an der Organisation von Synapsen beteiligt sind. „Ein auffälliger Unterschied zwischen Maus und Frettchen ist die Größe der Netzhaut und des visuellen Kortex, die bei der Maus jeweils etwa zwei- bzw. fünfmal kleiner sind. Das hat globale Auswirkungen auf die synaptische Organisation im visuellen Kortex dieser Tiere“, erklärt Kirchner. Beim Frettchen fanden die Wissenschaftler heraus, dass nahegelegene Synapsen an kortikalen Dendriten synchronisiert sind, wenn dem Tier ein visueller Reiz mit gleicher Orientierung im Raum präsentiert wird, z.B. ein sich vertikal bewegender Balken. Im Gegensatz zum Frettchen teilen benachbarte Synapsen auf kortikalen Dendriten im visuellen Kortex der Maus nicht notwendigerweise eine Präferenz für die gleiche Orientierung. Stattdessen zeigen benachbarte Synapsen bei Mäusen eine korrelierte Aktivität als Reaktion auf Reize aus benachbarten Regionen im visuellen Raum.

„Zusätzlich zu dieser lokalen Organisation der Synapsen kann unser Modell auch vorhersagen, wie sich Synapsen auf dem dendritischen Baum ganzer Neuronen organisieren“, bemerkt Gjorgjieva. „Unsere neuen Erkenntnisse fassen mehrere bisher scheinbar unverbundene oder sogar widersprüchliche experimentelle Ergebnisse in einem kohärenten Rahmen zusammen. So kann unser Modell erklären, wie Schaltkreise mit subzellulärer Präzision während der frühen Entwicklung vernetzt werden. Dies ist von großer Bedeutung für die rechnerischen Eigenschaften von kortikalen Neuronen und Netzwerken im Erwachsenenalter.“

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Veröffentlichung

Jan H. Kirchner, Julijana Gjorgjieva. Emergence of local and global synaptic organization on cortical dendrites (2021). Nature communications. DOI: 10.1038/s41467-021-23557-3.
Link: www.nature.com/articles/s41467-021-23557-3