Gedächtnisbildung auf neuronaler Ebene
Lernen beruht auf synaptischer Plastizität, d.h. der wiederholten und kontinuierlichen Signalgebung zwischen präsynaptischen und postsynaptischen Neuronen. Sie ist die Basis für Gedächtnisbildung und Lernen, indem ständig neue synaptische Kontakte entstehen (d.h. Bildung dendritischer Dornfortsätze auf einem postsynaptischen Neuron) oder bestehende Synapsen verstärkt werden. Bisher ließ sich allerdings noch kein spezifischer Zusammenhang zwischen der so genannten Gedächtnisspur (memory trace) bei Verhaltenstests oder sensorischen Aufgaben und der Bildung neuer dendritischer Dornen herstellen. Das EU-finanzierte Projekt "Visualizing the structural synaptic memory trace: Presynaptic partners of newly formed spines" (HEBBIANNEWSPINES) arbeitete an der funktionellen Identifizierung präsynaptischer Partner von neuen Synapsen, um die neuronalen Substrate der Gedächtnisbildung zu ermitteln. Mittels Zwei-Photonen-Bildgebung und optogenetischer Stimulation wurden Studien in vitro und in vivo durchgeführt. Genetisch kodierte, zweifarbig markierte Kalziumionen (Ca2+)-Indikatoren sollten Aufschluss über Struktur und Funktion einzelner Nervenzellen bei der Aktivierung einzelner Synapsen geben. Ca2+-Indikatoren wurden deshalb gewählt, weil sowohl bei dendritischen Dornen als auch präsynaptischen Boutons bei synaptischer Aktivität ein Ca2+-Einstrom stattfindet. Für In-vitro-Studien, entwickelten die Wissenschaftler ein robustes, rein optisches LTP-Protokoll (synaptische Langzeitpotenzierung) unter Verwendung von Channelrhodopsin-2 (ChR2) zur selektiven Aktivierung präsynaptischer Boutons. LTP verstärkt durch wiederholte Stimulation dauerhaft die Signalübertragung zwischen zwei Neuronen. In der Studie wurde unter Anwendung rein optischer LTP über einen Zeitraum von fünf Stunden die Bildung neuer dauerhafter Dornen beobachtet. Die Projektmitglieder hatten zuvor die Bildung und Stabilisierung neuer Dornen bei monokularer Deprivation (MD) demonstriert. MD ist eine Methode, bei der ein Auge abgedeckt wird, während visuelle Reize präsentiert werden. Die Forscher entwickelten einen kombinatorischen viralen Ansatz zur abgeschwächten viralen Transfektion ausgewählter neuronaler Untereinheiten. Damit lassen sich nun Eigenschaften einzelner Dornen und großer Zellpopulationen darstellen. Das MD-Protokoll vereinfacht die Unterscheidung der Signaldarstellung beim offenen und geschlossenen Auge und korreliert Struktur und Funktion auf synaptischer Ebene. Mit den neuen Methoden Projekts kann nun untersucht werden, ob die Bildung des Langzeitgedächtnisses auf dem Wachstum neuer dendritischer Dornen beruht. Die Erforschung dynamischer Prozesse beim Lernen und Gedächtnis kann die Rehabilitation bei Lern- oder Gedächtnisstörungen unterstützen.
Schlüsselbegriffe
Neuron, Gedächtnis, Gedächtnisbildung, Lernen, synaptische Plastizität, präsynaptisch, postsynaptisch, dendritischer Dorn, Bildung dendritischer Dornen, neuronale Substrate, Zwei-Photonen-Imaging, optogenetisch, Ca2 +, präsynaptische Boutons, Langzeitpote
