Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Erkenntnisse in zellulären und molekularen Modellen für Lern- Gedächtnis-Bildung

24.09.2003


Die Entschlüsselung der zellulären und molekularen Mechanismen der Lern- und Gedächtnisbildung ist eine der spannendsten Fragen der modernen Neurowissenschaften. Die Arbeitsgruppe von Juniorprofessor Dietmar Schmitz in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern aus England und den USA konnte in einem ’Research Article in Nature Neuroscience’ neue Ergebnisse beisteuern.


Das Zentralnervensystem (ZNS) ist kein statisches Organ, sondern ändert sich plastisch in Abhängigkeit von Aktivität und Erfahrung. Für die Abspeicherung von Erfahrungen scheint der Hippocampus und seine angrenzende Struktur, der entorhinale Cortex (EC), als "Tor zum Gedächtnis" von besonderer Wichtigkeit zu sein. So sind Patienten mit bilateralen Schädigungen des Hippocampus und des EC nicht in der Lage, Neues zu Lernen. Interessanter Weise können sie sich aber an Gedächtnisinhalte, die vor der Schädigung erworben wurden, z.T. erinnern.

Daraus ist zu schließen, dass der Hippocampus- EC- Komplex für den Prozess des Speicherns von Informationen von entscheidender Bedeutung ist, aber keinen endgültigen, sondern nur eine Art Zwischenspeicher für Gedächtnisinhalte darstellt. Da es sehr unterschiedliche Arten von Lernen gibt, ist auch die Abhängigkeit verschiedener Lernvorgänge von der funktionellen Integrität des Hippocampus nicht einheitlich. Prozedurales Lernen beispielsweise, also die Fähigkeit, bestimmte motorische Abläufe zu lernen, gilt als nicht-deklaratives Gedächtnis und ist unabhängig vom Hippokampus. Das Erinnern von Tatsachen und Gedanken dagegen gilt als hippocampusabhängig und wird auch als deklaratives oder episodisches Gedächtnis bezeichnet.


Verschaltung des Hippocampus

Auf Grund mikroskopischer und funktioneller Unterschiede wird der Hippocampus in zwei korrespondierende Bereiche unterteilt: die Area Dentata und das Cornu Ammonis. Die Körnerzellen der Area Dentata erhalten vornehmlich ihre Eingänge aus dem entorhinalen Cortex über den so genannten Tractus Perforans. Die Körnerzellen wiederum geben nun Axone ab, um synaptische Verbindungen mit den Pyramidenzellen des Cornu Ammonis (CA) 3 einzugehen. Diese Synapse wird auf Grund ihrer außergewöhnlichen anatomischen Charakteristika als Moosfaser-Synapse bezeichnet.

Die Axone der CA3 Pyramidenzellen weisen mehrere Projektionszielorte auf: Zum einen verlassen die Axone den Hippocampus via Fornix und zum anderen projizieren sie auf benachbarte CA3-Pyramidenzellen als auch auf vorgeschaltetete CA1-Pyramidenzellen. Die CA1-Pyramidenzellen projizieren nun wieder Richtung Subikulum und entorhinalen Cortex.

’Long-term potentiation’ (LTP) als zelluläres und molekulares Modell für Lern- und Gedächtnisbildung

Ende der 40er Jahre stellte der Neuropsychologe Donald O. Hebb eine Hypothese auf, in der die zeitlich koordinierte Aktivität zweier synaptisch verbundener Neurone zu plastischen Veränderungen der synaptischen Stärke führt. Solch ein Mechanismus, so theoretisierte Hebb weiter, würde es erlauben Informationen zu kodieren und ggfs. auch zu speichern. Im Jahr 1973 machten die Physiologen Bliss und Lomo eine aufregende Entdeckung. Sie fanden, dass kurze repetitive Stimulation afferenter Fasern zu einer lang anhaltenden Verstärkung der synaptischen Übertragung führt. Die Autoren bezeichneten dieses Phänomen als ’long-term potentiation’ (LTP). In den darauf folgenden Jahren wurden intensiv die molekularen und zellulären Mechanismen der LTP erforscht.Es lassen sich zwei grundlegend verschiedene Formen der LTP unterscheiden: NMDA-Rezeptor-abhängig versus Nicht-NMDA-Rezeptor-abhängig.

Bei der NMDA-Rezeptor-abhängigen Form der LTP führt eine kurze repetitive Stimulation der Afferenzen zu einer Aktivierung eines postsynaptisch lokalisierten NMDA-Rezeptors (= Untertyp eines Glutamat-Rezeptors). Da neben der Bindung eines Transmittermoleküles zusätzlich eine Depolarisierung (Aktivierung) der postsynaptischen Zelle notwendig ist, damit es zur Öffnung des Ionenkanals kommen kann, dient der NMDA-Rezeptor somit als Detektor für die zeitlich koordinierte Aktivität von prä- und postsynaptischer Zelle.

Der NMDA-Rezeptor besitzt eine hohe Durchlässigkeit für Kalzium-Ionen. Dieser Einstrom von Kalzium-Ionen führt dann zur spezifischen Aktivierung von Enzymen, die wiederum zu Langzeit-Veränderungen der Synapse führen.



In der vorliegenden Arbeit wurde jedoch die viel weniger untersuchte und demzufolge viel weniger verstandene Nicht-NMDA-Rezeptor-abhängige Form der LTP untersucht. Die Untersuchungen wurden dabei vornehmlich an der bereits zuvor erwähnten Moosfaser-Synapse im Hippocampus der Ratte bzw. Maus durchgeführt.Mit Hilfe elektrophysiologischer Techniken und Nutzung pharmakologischer und gentechnischer Werkzeuge konnten die Autoren zeigen, dass die Moosfaser-LTP kritisch abhängt von so genannten Kainat-Rezeptoren, die sich auf der präsynaptischen Seite befinden. Bei den Kainat-Rezeptoren handelt es sich um Liganden-gesteuerte Ionen-Kanäle. Der natürliche Ligand ist in diesem Fall der Überträgerstoff Glutamat. Von noch größerem Interesse scheint jedoch, dass diese Kainat-Rezeptoren zu einer vollkommen neuen Form der Assoziativität von neuronaler Aktivität auf der rein präsynaptischen Seite der Neurone führt. Über diese Kainat-Rezeptoren können Signale von benachbarten Moosfasern assoziativ miteinander verknüpft werden. Diese neue Form der heterosynaptischen LTP hat weit reichende Auswirkungen für das Verständnis des Hippocampus und damit auch auf theoretische Modelle der Lern- Gedächtnis-Bildung.

Der Beitrag ’Presynaptic kainate receptors impart an associative property to hippocampal mossy fiber long-term potentiation’ von Dietmar Schmitz et al wird publiziert in Nature Neuroscience (Oktober 2003), bereits online: http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/neuro/journal/vaop/ncurrent/abs/nn1116.html&dynoptions=doi1063008875

Informationen
Prof. Dr. Dietmar Schmitz
Medizinische Fakultät Charité
Neurowissenschaftliches Forschungszentrum
Tel. 030-450-539054, Fax 450-576936
e-mail dietmar.schmitz@charite.de

Heike Zappe | idw
Weitere Informationen:
http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/neuro/journal/vaop/ncurrent/abs/nn1116.html&dynoptions=doi1063008875

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscherteam der Universität Bremen untersucht Korallenbleiche
24.04.2017 | Universität Bremen

nachricht Feinste organische Partikel in der Atmosphäre sind häufiger glasartig als flüssige Öltröpfchen
21.04.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung