Beteiligtes Berstein Mitglied: Tatjana Tchumatchenko

Nervenzellen im Gehirn empfangen Tausende von synaptischen Signalen über ihre „Antenne“, dem sogenannten dendritischen Ast. Dauerhafte Veränderungen in der synaptischen Stärke korrelieren dabei mit einer veränderten Größe dendritischer Dornfortsätze, den Spines. Doch wie die Neuronen diese Stärkeänderungen über mehrere, nahe beieinanderliegende und gleichzeitig aktive Synapsen hinweg umsetzen, war bislang unklar. Forschende des Universitätsklinikums Bonn (UKB), der Universität Bonn, der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) und dem RIKEN Center for Brain Science (CBS) gehen davon aus, dass der Wettbewerb zwischen Spines um molekulare Ressourcen und der räumliche Abstand zwischen gleichzeitig stimulierten Spines sich auf deren resultierende Dynamik auswirkt. Die Ergebnisse der Studie sind jetzt im Fachmagazin „Nature Communications“ veröffentlicht.

Neuronen sind die Recheneinheiten des Gehirns. Sie empfangen Tausende von synaptischen Signalen über ihre Dendriten, wobei einzelne Synapsen einer aktivitätsabhängigen Plastizität unterliegen. Diese synaptische Plastizität ist der Mechanismus, der unserem Gedächtnis und unserem Denken zugrunde liegt und spiegelt langanhaltende Veränderungen in der synaptischen Stärke wider. Beim Erlernen neuer Erinnerungen verstärken besonders aktive Synapsen ihre Verbindungen in einem Prozess, der als „Langzeitpotenzierung“ (LTP) bekannt ist. Wie Nervenzellen jedoch die Ressourcen für die Umsetzung synaptischer Stärkeänderungen durch Raum und Zeit unter benachbarten Synapsen umsetzen, war jedoch bisher unklar. Bisher wurde angenommen, dass jede Synapse unabhängig von den anderen entscheidet, wie sie sich verändert

Eine aktuelle Studie legt eine neue Sichtweite nahe, wie benachbarte Synapsen ihre Reaktion auf Plastizitätssignale koordinieren. Forschende aus Bonn und Japan haben herausgefunden, dass die gemeinsame Nutzung von Proteinen und Calcium die synaptische Plastizität zu einer kollektiven Aktion macht, bei der das Verhalten einer Synapse beeinflusst, wie die anderen reagieren können. „Wenn mehrere Synapsen gleichzeitig potenzieren möchten und nahe beieinanderliegen, konkurrieren sie miteinander, sodass jede Synapse weniger stark potenziert, als wenn sie alleine wäre. Andererseits kann die gleichzeitige Potenzierung weniger Synapsen durch den Überlauf aktivierter Ressourcen die Plastizität anderer Synapsen erleichtern“, sagt Prof. Tatjana Tchumatchenko, vom Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung am UKB und Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) „Modelling“ der Universität Bonn. Zusammen mit Prof. Yukiko Goda von der OIST in Japan leitete sie die Studie.
Starker Wettbewerb unter benachbarten Spines

Die Forschenden aus Bonn und Japan setzten die Freisetzung von Glutamat, einem wichtigen erregenden Botenstoff im Gehirn, in Verbindung mit computergestützten Modellen ein, um die molekularen Prozesse der Plastizität mehrerer Spines zu untersuchen. Spines, pilzförmige Vorwölbungen von Nervenzellen, finden sich im Gehirns und können synaptische Verknüpfungen verstärken. „Die Glutamat-Freigabe ermöglicht eine präzise Manipulation ausgewählter Synapsen, was uns erlaubt hat, genau zu beobachten, wie viele Synapsen sich potenzieren und in welchem Ausmaß“, erklärt Dr. Thomas Chater, der die Forschung am RIKEN Center for Brain Science in Japan durchführte. „Diese Daten ermöglichten uns, ein Modell zu entwerfen und seine Parameter an einem Set von drei stimulierten Dornfortsätzen, also Spines, anzupassen, um dann vorherzusagen, wie sich sieben oder fünfzehn Dornfortsätze verhalten würden“, erläutert Dr. Maximilian Eggl, der bis vor kurzem als Postdoc der Universität Bonn am UKB forschte. Chater und Eggl sind beide Co-Erstautoren dieser Studie und arbeiteten eng zusammen.

Die Studienleiterinnen Prof. Tchumatchenko und Prof. Goda waren besonders überrascht von dem Ausmaß der Konkurrenz unter benachbarten Dornfortsätzen, die in den ersten zwei bis drei Minuten nach der Auslösung der Plastizität am stärksten war und die Richtung und das Ausmaß der Plastizität beeinflusste. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die räumliche Anordnung gleichzeitig stimulierter Synapsen die Dynamik des Wachstums oder Schrumpfens von Spines erheblich beeinflusst, was darauf hindeutet, dass mehrere auf demselben Dendriten gespeicherte Erinnerungen einander beeinflussen könnten“, erklärt Prof. Goda. Die Studienleiterinnen sind sich sicher, dass die Erkenntnis, wie Neuronen synaptische Ressourcen verwalten, zu einem besseren Verständnis kognitiver Prozesse im gesunden Gehirn beitragen und somit auch zur Entwicklung neuer Strategien zur Bekämpfung von Alzheimer, Autismus-Spektrum-Störungen und anderen kognitiven Beeinträchtigungen.