Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

After 100 Years, Understanding the Electrical Role of Dendritic Spines

06.12.2012
It’s the least understood organ in the human body: the brain, a massive network of electrically excitable neurons, all communicating with one another via receptors on their tree-like dendrites. Somehow these cells work together to enable great feats of human learning and memory. But how?
Researchers know dendritic spines play a vital role. These tiny membranous structures protrude from dendrites’ branches; spread across the entire dendritic tree, the spines on one neuron collect signals from an average of 1,000 others. But more than a century after they were discovered, their function still remains only partially understood.

A Northwestern University researcher, working in collaboration with scientists at the Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Janelia Farm Research Campus, has recently added an important piece of the puzzle of how neurons “talk” to one another. The researchers have demonstrated that spines serve as electrical compartments in the neuron, isolating and amplifying electrical signals received at the synapses, the sites at which neurons connect to one another.

The key to this discovery is the result of innovative experiments at the Janelia Farm Research Campus and computer simulations performed at Northwestern University that can measure electrical responses on spines throughout the dendrites.

A paper about the findings, “Synaptic Amplification by Dendritic Spines Enhances Input Cooperatively,” was published November 22 in the journal Nature.

“This research conclusively shows that dendritic spines respond to and process synaptic inputs not just chemically, but also electrically,” said William Kath, professor of engineering sciences and applied mathematics at Northwestern’s McCormick School of Engineering, professor of neurobiology at the Weinberg College of Arts and Sciences, and one of the paper’s authors.

Dendritic spines come in a variety of shapes, but typically consist of a bulbous spine head at the end of a thin tube, or neck. Each spine head contains one or more synapses and is located in very close proximity to an axon coming from another neuron.

Scientists have gained insight into the chemical properties of dendritic spines: receptors on their surface are known to respond to a number of neurotransmitters, such as glutamate and glycine, released by other neurons. But because of the spines’ incredibly small size — roughly 1/100 the diameter of a human hair — their electrical properties have been harder to study

In this study, researchers at the HHMI Janelia Farm Research Campus used three experimental techniques to assess the electrical properties of dendritic spines in rats’ hippocampi, a part of the brain that plays an important role in memory and spatial navigation. First, the researchers used two miniature electrodes to administer current and measure its voltage response at different sites throughout the dendrites.

They also used a technique called “glutamate uncaging,” a process that involves releasing glutamate, an excitatory neurotransmitter, to evoke electrical responses from specific synapses, as if the synapse had just received a signal from a neighboring neuron. A third process utilized a calcium-sensitive dye — calcium is a chemical indicator of a synaptic event — injected into the neuron to provide an optical representation of voltage changes within the spine.

At Northwestern, researchers used computational models of real neurons — reconstructed from the same type of rat neurons — to build a 3D representation of the neuron with accurate information about each dendrites’ placement, diameter, and electrical properties. The computer simulations, in concert with the experiments, indicated that spines’ electrical resistance is consistent throughout the dendrites, regardless of where on the dendritic tree they are located.

While much research is still needed to gain a full understanding of the brain, knowledge about spines’ electrical processing could lead to advances in the treatment of diseases like Alzheimer’s and Huntington’s diseases.

“The brain is much more complicated than any computer we’ve ever built, and understanding how it works could lead to advances not just in medicine, but in areas we haven’t considered yet,” Kath said. “We could learn how to process information in ways we can only guess at now.”

Other authors of the paper, all of HHMI Janelia Farm Research Campus, include lead author Mark T. Harnett, Judit K. Makara, Nelson Spruston (formerly of Northwestern University), and Jeffrey C. Magee, the senior author on the paper.

Megan Fellman | EurekAlert!
Further information:
http://www.northwestern.edu

More articles from Life Sciences:

nachricht Speech dynamics are coded in the left motor cortex
31.03.2015 | Universitätsmedizin Göttingen - Georg-August-Universität

nachricht Discovery of two new species of primitive fishes discovered
31.03.2015 | Universität Zürich

All articles from Life Sciences >>>

The most recent press releases about innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gemeinsam auf der Suche nach Wirkstoff gegen MRSA

Neues Projekt bündelt Kompetenzen des HZI und des Lead Discovery Center in Dortmund

Krankenhauskeime stellen in Deutschland ein immer größeres Problem dar. Der Grund: viele von ihnen sind resistent gegen die meisten herkömmlichen Antibiotika....

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln Mess-System für Schiffbau-Versuchsanstalten

Durch wissenschaftlich fundierte Daten der Forscher um Professor Nils Damaschke vom Institut für Allgemeine Elektrotechnik der Universität Rostock wird es künftig möglich, die Propellerform für Schiffe so zu optimieren, dass weniger Kraftstoff verbraucht und der Propellerverschleiß auf Grund von Kavitation reduziert werden kann. Die Wissenschaftler arbeiten inzwischen an der weiteren Verfeinerung eines kommerziellen Mess-Systems für die weltweit agierenden Schiffbau-Versuchsanstalten.

Kleinste Partikel spielen im täglichen Leben eine immer größere Rolle. Ob es sich um Schadstoffe in der Luft (Feinstaubbelastung) oder Zerstäubungsprozesse...

Im Focus: Den Synapsen bei der Arbeit zusehen

Göttinger Forscher beobachten Synapsenaktivität im Gehirn lebender Fruchtfliegen

Wissenschaftler der Universität Göttingen haben mit einer neuen Methode die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn lebender Fruchtfliegen beobachtet. Bislang...

Im Focus: FiberLab-Roboter begeistert auf Photonics West in San Francisco

Mit ihrem „humanisierten“ Roboter zeigten Anna Lena Baumann und Wolfgang Schade erstmalig die erfolgreiche Umsetzung der 3D-Navigation über eine neuartige Lasermethode, der Standard Single-Mode-Glasfaser. Mehr als 17.000 Teilnehmer konnten den Roboter und FiberLab, das erste Projekt des Photonik Inkubators in Göttingen, auf der Photonics West in San Francisco kennen lernen.

Mit Hilfe eines in die Kleidung eingenähten Fasersensors wurden Armbewegungen eines Probanden dokumentiert und nach entsprechender Auswertung an den Roboter...

Im Focus: Femto Photonic Production: Neue Verfahren mit Ultrakurzpulslasern für die Fertigung von morgen

Für die deutsche Wirtschaft spielt die Lasertechnik eine herausragende Rolle: Etwa 40 Prozent der weltweit verkauften Strahlquellen und 20 Prozent der Lasersysteme für die Materialbearbeitung stammen aus Deutschland.

Beim Einsatz von Lasern in der Produktion sind deutsche Unternehmen führend. Diese Stärken gilt es zu erhalten und auszubauen. Deswegen hat das...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Premiere für die "innteract conference"

30.03.2015 | Veranstaltungen

Startup Weekend: In 54 Stunden von der Gründungsidee zur Firmengründung

30.03.2015 | Veranstaltungen

Große Bühne für Wissenschaft in drei Minuten

30.03.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ohne Mobilität keine gesellschaftliche Teilhabe im Alter: Abschluss des BMBF-Projekts COMPAGNO

31.03.2015 | Gesellschaftswissenschaften

Warum die Artenvielfalt plötzlich explodierte

31.03.2015 | Biowissenschaften Chemie

Ab in die Zelle - Fundamentale Erkenntnisse für verbesserten Wirkstofftransport

31.03.2015 | Biowissenschaften Chemie