Molecular mechanisms of high-frequency transmission at a central synapse

• Applicant: Professor Dr. Stefan Hallermann
• Subject Area: Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells
• Term: from 2011 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 204189369

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Ein Heisenberg-Stipendium und eine Sachbeihilfe “Molekulare Mechanismen der hochfrequenten Übertragung an einer zentralen Synapse” erlaubten mir 2011 meine eigene Arbeitsgruppe am European Neuroscience Institut (ENI) in Göttingen aufzubauen. Methodisch entscheidend war die Etablierung von direkten patch-clamp Ableitungen von zerebellären Moosfaser Nervenendigungen. Hiermit konnten wir demonstrieren, dass diese Synapsen im Kleinhirn Frequenzen bis zu 1 Kilohertz übertragen können. Hierfür sind erstaunlich kurze Aktionspotenziale mit einer Dauer von 100 µs verantwortlich. Durch die Etablierung quantitativer Kalzium-Messungen mit Zwei-Photonen Mikroskopie, könnten wir außerdem zeigen, dass die hochfrequente Übertragung durch eine überraschend geringe Kalziumbindungskapazität des Zytoplasma der Nervenendigung ermöglicht wird. Schließlich haben wir präsynaptische Kapazitätsmessungen mit Quarzglas-Pipetten durchgeführt. Das gute Signal-zu-Rausch-Verhältnis ermöglichte es, die kontrovers diskutierte Geschwindigkeit der Wiederaufnahme neuer Vesikel direkt zu messen.

Publications

• (2012) State and location dependence of action potential metabolic cost in cortical pyramidal neurons. Nat Neurosci 15:1007-1014
  Hallermann S, de Kock CP, Stuart GJ, Kole MH
  
• (2013) Hippocampal and cerebellar mossy fibre boutons - same name, different function. J Physiol 591:3179-3188
  Delvendahl I, Weyhersmüller A, Ritzau-Jost A, Hallermann S
  
• (2013) Paired-pulse facilitation at recurrent purkinje neuron synapses is independent of calbindin and parvalbumin during high-frequency activation. J Physiol 591:3355-70
  Bornschein G, Arendt O, Hallermann S, Brachtendorf S, Eilers J, Schmidt H
  
• (2013) Sustaining rapid vesicular release at active zones: potential roles for vesicle tethering. Trends Neurosci 36:185-194
  Hallermann S, Silver RA
  
• (2014) Quantitative super-resolution imaging of Bruchpilot distinguishes active zone states. Nat Commun 5:4650
  Ehmann N, van de Linde S, Alon A, Ljaschenko D, Keung XZ, Holm T, Rings A, DiAntonio A, Hallermann S, Ashery U, Heckmann M, Sauer M, Kittel RJ
  
• (2014) Ultrafast action potentials mediate kilohertz signaling at a central synapse. Neuron 84:152-163
  Ritzau-Jost A, Delvendahl I, Rings A, Byczkowicz N, Harada H, Shigemoto R, Hirrlinger J, Eilers J, Hallermann S
  
• (2015) Reduced endogenous Ca2+ buffering speeds active zone Ca2+ signaling. Proc Natl Acad Sci USA 112:E3075-3084
  Delvendahl I, Jablonski L, Baade C, Matveev V, Neher E, Hallermann S
  
• (2016) Fast, temperature-sensitive and clathrin-independent endocytosis at central synapses. Neuron 90:492-8
  Delvendahl I, Vyleta NP, von Gersdorff H, Hallermann S
  
• (2016) NMDA receptors amplify mossy fiber synaptic inputs at frequencies up to at least 750 Hz in cerebellar granule cells. Synapse
  Baade C, Byczkowicz N, Hallermann S
  
• (2016) The cerebellar mossy fiber sSynapse as a model for high-frequency transmission in the mammalian CNS. Trends Neurosci 39:722-737
  Delvendahl I, Hallermann S
  
• (2018) Apparent calcium dependence of vesicle recruitment. J Physiol 596:4693-4707
  Ritzau-Jost A, Jablonski L, Viotti J, Lipstein N, Eilers J, Hallermann S
  
• (2018) How to maintain active zone integrity during high-frequency transmission. Neurosci Res 127:61-69
  Byczkowicz N, Ritzau-Jost A, Delvendahl I, Hallermann S