Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lernen will kontrolliert sein

19.10.2006
Synthese und Abbau von Proteinen halten sich bei Lernen und Gedächtnis die Waage

Erstmalig zeigen Wissenschaftler der beiden Martinsrieder Max-Planck-Institute für Neurobiologie und Biochemie, dass nicht nur die aktivitätsabhängige Synthese von Proteinen, sondern auch der gezielte Abbau von Proteinen ein wichtiger Mechanismus für die Speicherung von Information im Nervensystem ist (Neuron, 19. Oktober 2006).


In einem dichten Netzwerk sind Nervenzellen des Gehirns - hier im Hippocampus - über Synapsen miteinander verschaltet. Nicht nur aktivitätsabhängige Synthese von Proteinen, sondern auch der gezielte Abbau von Proteinen sind ein wichtiger Mechanismus für die Stabilisierung der Synapsen und damit auch für die Speicherung von Information im Gehirn. Bild: Max-Planck-Institut für Neurobiologie

Lernen und Gedächtnis sind lebensnotwendige Fähigkeiten für Mensch und Tier. Eine wesentliche Rolle bei diesen elementaren Funktionen unseres zentralen Nervensystems spielen dabei die Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen - die Synapsen. Sie verändern sich abhängig von der Aktivität der sie beherbergenden Nervenzellen. Auf diese Weise können aus der Umwelt gewonnene Informationen langfristig abgespeichert werden. Durch hochfrequente Reizung bei Langzeitpotenzierung (LTP) werden Synapsen beispielsweise verstärkt und somit die Datenströme im Gehirn nachhaltig umgeleitet. Wissenschaftler sehen diese Verstärkung der Synapsen als neurophysiologische Grundlage für Lernen und Gedächtnis. Die Aufklärung der zugrunde liegenden zellulären Mechanismen ist eine der großen Herausforderungen an die modernen Neurowissenschaften und ein zentrales Forschungsanliegen in der Abteilung von Tobias Bonhoeffer am Max-Planck-Institut für Neurobiologie.

In Zusammenarbeit mit Ramunas Vabulas vom Max-Planck-Institut für Biochemie, Abteilung Ulrich Hartl, konnten Bonhoeffers Mitarbeiter Rosalina Fonseca und Valentin Nägerl nun zeigen, dass es für die Aufrechterhaltung dieser synaptischen Verstärkung nicht nur der Neusynthese synaptischer Proteine - Plastizitäts-Faktoren genannt - bedarf, sondern dass ebenso der gezielte Abbau von inhibitorischen Faktoren erforderlich ist. Bisher hatte man angenommen, dass das Auslösen einer Langzeitpotenzierung lediglich zur Synthese von "positiven" Plastizitäts-Faktoren führt, die wiederum die potenzierten Synapsen langfristig verstärken. Doch nach den neuesten Ergebnissen muss diese Sichtweise nun revidiert werden. "Tatsächlich kommt es im Zuge der Langzeitpotenzierung sowohl zu einer erhöhten Produktion als auch zu einem erhöhten Abbau von positiven und negativen Plastizitäts-Faktoren", erklärt Projektleiter Valentin Nägerl.

Verblüffend, aber dennoch folgerichtig, war, dass es sogar ohne die Neusynthese der Plastizitäts-Faktoren zur Bildung einer lang anhaltenden Verstärkung von neuronalen Verbindungen kommen kann. Voraussetzung dafür war allerdings, dass zeitgleich der Proteinabbau durch das intrazelluläre Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) pharmakologisch gehemmt wurde. Sind sowohl die Synthese als auch der Abbau gehemmt, reicht schon die anfängliche Potenzierung für eine dauerhafte Verstärkung der Synapsen aus, sie wird bei Blockade des UPS sozusagen in Stein gemeißelt.

Die Wissenschaftler führten ihre Experimente an dünnen Hirngewebsscheiben des Hippokampus der Ratte aus. Dieses Hirnareal, so weiß man seit langem, ist maßgeblich an der Gedächtnisbildung beteiligt - bei der Ratte wie auch beim Menschen. Die Forscher setzten dabei gängige Methoden der Neurophysiologie ein, um das Reiz-Antwortverhalten von vielen Synapsen im Hippokampus gleichzeitig ableiten zu können. Darüber hinaus benutzten sie pharmakologische Substanzen, mit denen spezifisch der Synthese- und/oder der Abbauweg von Zellproteinen geblockt werden konnte. Damit war es möglich, die wechselwirkenden Einflüsse der Neubildung und des Abbaus von Proteinen auf die synaptische Plastizität zu untersuchen.

Die Studie fußt auf einer anderen, kürzlich veröffentlichten Publikation der Max-Planck-Forscher in der Zeitschrift Nature Neuroscience. Darin konnten sie zeigen, dass die Stabilität der synaptischen Plastizität ganz entscheidend von der Stimulierung der Synapse in der frühen Phase der Langzeitpotenzierung abhängt. Die Forscher hatten immer schon angenommen, dass die Aktivität der Synapsen den Umsatz von Proteinen steigert, die für die Langzeitpotenzierung notwendig sind, und dass auf diese Weise die Stabilität der LTP moduliert wird. Die aktuellen Befunde bestätigen diese Überlegungen. Darüber hinaus konnten Fonseca, Nägerl und Bonhoeffer nachweisen, dass die anfängliche synaptische Potenzierung durch niederfrequente Reizung der Synapsen gefestigt werden muss. Bleibt das aus, ist die synaptische Verstärkung weitaus instabiler als sonst und bedarf der fortdauernden Neusynthese an Plastizitäts-Faktoren. "In diesen Untersuchungen konnten wir erste Hinweise dafür sammeln, dass die Stabilität der synaptischen Plastizität auch von einem aktivitätsabhängigen Abbau der Plastizitäts-Faktoren abhängt. Unsere in der Zeitschrift Neuron veröffentlichten Daten haben das nun wunderbar bestätigt", freut sich Tobias Bonhoeffer.

[VN/CB]

Originalveröffentlichung:

Rosalina Fonseca, Valentin U. Nägerl and Tobias Bonhoeffer
Neuronal activity determines the protein synthesis dependence of long-term potentiation.

NatureNeuroscience 2006 April;9(4):478-80

Rosalina Fonseca, Ramunas M. Vabulas, F. Ulrich Hartl, Tobias Bonhoeffer, and Valentin U. Nägerl
A balance of protein synthesis and proteasome-dependent degradation determines the maintenance of LTP

Neuron 52, 1-7, October 19, 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise