Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Turbolader für Nervenzellen

14.06.2013
Göttinger Max-Planck-Wissenschaftler haben einen Schlüsselmechanismus entdeckt, der die Signalleistung von Nervenzellen im Gehirn steigert

Im dichten Verkehr ein hupendes Auto lokalisieren, beim TV-Zappen zwischen Fußball und Krimi nicht völlig den Überblick verlieren oder am Ende eines gelesenen Satzes den Anfang nicht vergessen - das alles sind für uns ganz alltägliche Fähigkeiten.


An der Schalllokalisation beteiligte Synapsen (Calyx von Held) im Hirnstamm der Maus. Die grün gefärbten Bereiche sind Neurotransmitter freisetzende Synapsen. Die Empfängerzellen sind grau gefärbt. MPI f. experimentelle Medizin, Benjamin H. Cooper

Sie erlauben es uns, auf schnell wechselnde Umstände zu reagieren und selbst komplexe Tätigkeiten korrekt durchzuführen. Damit das funktioniert, müssen die Schaltkreise aus Nervenzellen in unserem Gehirn sehr flexibel sein. Einen wichtigen molekularen Mechanismus, der Nervenzellen zu solchen Anpassungskünstlern macht, haben jetzt Forscher der beiden Göttinger Max-Planck-Institute für experimentelle Medizin und biophysikalische Chemie unter der Leitung der Neurobiologen Nils Brose und Erwin Neher entdeckt.

Nervenzellen kommunizieren miteinander an spezialisierten Zell-Zell-Kontakten, den Synapsen. Zuerst wird eine sendende Nervenzelle erregt und schüttet Botenstoffe aus, so genannte Neurotransmitter. Diese Signalmoleküle gelangen dann zur Empfängerzelle und beeinflussen deren Aktivitätszustand. Der Prozess der Transmitterausschüttung ist hoch komplex und stark reguliert. Hauptakteure sind synaptische Vesikel, kleine von einer Membran umhüllte Bläschen, die mit Neurotransmittern beladen sind und diese durch Verschmelzung mit der Zellmembran freisetzen. Um jederzeit auf eine Stimulation mit der Freisetzung von Transmittern antworten zu können, muss eine Nervenzelle an jeder ihrer Synapsen eine bestimmte Menge schnell freisetzbarer Vesikel bereithalten. Die molekularen Grundlagen dieser Vorratshaltung ist seit Jahren Gegenstand der Forschungsarbeiten von Brose.

Dass es sich dabei nicht bloß um ein akademisches Problem handelt, erklärt Brose so: "Die Zahl der akut freisetzbaren Vesikel einer Synapse entscheidet über deren Zuverlässigkeit. Gibt es zu wenige davon und werden diese zudem noch zu langsam nachgeliefert, ermüdet die entsprechende Synapse bei dauerhafter Belastung sehr schnell. Das Gegenteil ist der Fall, wenn eine Synapse bei Belastung schnell weitere akut freisetzbare Vesikel nachliefern kann. Dann kann es sogar passieren, dass eine Synapse bei dauerhafter Aktivierung besser wird."

Diese Anpassungsfähigkeit von Synapsen ist in fast allen Nervenzellen zu beobachten. Sie wird als Kurzzeitplastizität bezeichnet und ist für eine Vielzahl extrem wichtiger Hirnprozesse unverzichtbar. Ohne sie könnten wir keine Geräusche lokalisieren, wäre Kopfrechnen unmöglich, und die Schnelligkeit und Flexibilität, mit der wir unser Verhalten ändern und unsere Aufmerksamkeit auf neue Ziele richten können, wäre dahin.

Brose und seine Mitarbeiter hatten bereits vor Jahren ein Protein mit dem kryptischen Namen Munc13 entdeckt, das nicht nur für die Nachlieferung akut freisetzbarer Vesikel an Synapsen unabdingbar ist, sondern zudem durch die Aktivität von Nervenzellen so reguliert wird, dass der Nachschub an Vesikeln dem jeweiligen Bedarf angepasst werden kann. Diese Regulation erfolgt durch einen Komplex aus dem Signalmolekül Calmodulin und Kalzium-Ionen, die sich bei starker Nervenzellaktivität in den Synapsen ansammeln.

"Unsere früheren Arbeiten an einzelnen Nervenzellen in Kulturschalen zeigten, dass der Kalzium-Calmodulin-Komplex Munc13 aktiviert und so dafür sorgt, dass akut freisetzbare Vesikel schneller nachgeliefert werden", so Noa Lipstein, eine israelische Gastwissenschaftlerin in Broses Labor. "Aber viele Kollegen waren nicht davon überzeugt, dass dieser Prozess auch in Nervenzellen im intakten Gehirn eine Rolle spielt."

Deshalb hat Lipstein zusammen mit ihrem japanischen Kollegen Takeshi Sakaba eine mutante Maus erzeugt, deren Munc13-Proteine genetisch so verändert sind, dass sie nicht mehr durch Kalzium-Calmodulin-Komplexe aktiviert werden können. Die Effekte dieser genetischen Manipulation untersuchten die beiden Neurophysiologen zunächst an Synapsen, die an der Schalllokalisation beteiligt sind und typischerweise mehrere hundert Mal pro Sekunde aktiviert werden. "Unsere Studie zeigt, dass die dauerhafte Leistungsfähigkeit von Synapsen in intakten Nervenzellnetzwerken auf kritische Weise von der Aktivierung von Munc13 durch Kalzium-Calmodulin-Komplexe abhängt", erläutert Lipstein.

Von der Bedeutung ihrer Studie sind die Göttinger Wissenschaftler überzeugt, denn schließlich wurden der für die synaptische Kurzzeitplastizität verantwortliche Kalziumsensor und dessen Zielprotein von führenden Neurowissenschaftlern in der Vergangenheit schon als 'Heiliger Gral' bezeichnet. "Ich gehe davon aus, dass wir einen molekularen Schlüsselmechanismus der Kurzzeitplastizität entdeckt haben, der in allen Synapsen im Gehirn eine Rolle spielt, und nicht nur in kultivierten Nervenzellen, wie viele Kollegen bisher glaubten", ist sich Lipstein sicher. Und wenn sie mit der Interpretation ihrer Befunde wirklich Recht behält, dann könnte Munc13 sogar ein ideales pharmakologisches Ziel für Medikamente sein, die die Gehirnleistung beeinflussen.

Originalpublikation:
Dynamic control of synaptic vesicle replenishment and short-term plasticity by Ca2+-Calmodulin-Munc13-1 signaling.
Lipstein, N., Sakaba, T., Cooper, B.H., Lin, K.-H., Strenzke, N., Ashery, U., Rhee, J.-S., Taschenberger, H., Neher, E. und Brose, N.
Neuron, 13. Juni 2013

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Nils Brose
Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin, Göttingen
Telefon: +49 551 3899-725
E-Mail: brose@­em.mpg.de

Dr. Noa Lipstein
Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin
Telefon: +49 551 3899-697
E-Mail: lipstein@­em.mpg.de

Dr Harald Rösch | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://­www.em.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Junger Embryo verspeist gefährliche Zelle
18.05.2018 | Rudolf-Virchow-Zentrum für Experimentelle Biomedizin der Universität Würzburg

nachricht Weiße Gespenster am Straßenrand - die Pfaffenhütchen-Gespinstmotte
18.05.2018 | Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft

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: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Im Focus: Explanation for puzzling quantum oscillations has been found

So-called quantum many-body scars allow quantum systems to stay out of equilibrium much longer, explaining experiment | Study published in Nature Physics

Recently, researchers from Harvard and MIT succeeded in trapping a record 53 atoms and individually controlling their quantum state, realizing what is called a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

Tagung »Anlagenbau und -betrieb der Zukunft«

17.05.2018 | Veranstaltungen

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

Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

18.05.2018 | Physik Astronomie

Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.

18.05.2018 | Physik Astronomie

Wie Immunzellen Bakterien mit Säure töten

18.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

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