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 Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

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,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie