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 Krebsdiagnostik: Pinkeln statt Piksen?
25.05.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
25.05.2018 | Technische Universität Dresden

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: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics