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 2012 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 221287396

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Ein Heisenberg-Stipendium und eine Sachbeihilfe 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

• State and location dependence of action potential metabolic cost in cortical pyramidal neurons. Nature Neuroscience, 15(7), 1007-1014.
  Hallermann, Stefan; de Kock, Christiaan P. J.; Stuart, Greg J. & Kole, Maarten H. P.
  
• Hippocampal and cerebellar mossy fibre boutons – same name, different function. The Journal of Physiology, 591(13), 3179-3188.
  Delvendahl, Igor; Weyhersmüller, Annika; Ritzau‐Jost, Andreas & Hallermann, Stefan
  
• Paired‐pulse facilitation at recurrent Purkinje neuron synapses is independent of calbindin and parvalbumin during high‐frequency activation. The Journal of Physiology, 591(13), 3355-3370.
  Bornschein, Grit; Arendt, Oliver; Hallermann, Stefan; Brachtendorf, Simone; Eilers, Jens & Schmidt, Hartmut
  
• Sustaining rapid vesicular release at active zones: potential roles for vesicle tethering. Trends in Neurosciences, 36(3), 185-194.
  Hallermann, Stefan & Silver, R. Angus
  
• Quantitative super-resolution imaging of Bruchpilot distinguishes active zone states. Nature Communications, 5(1).
  Ehmann, Nadine; van de Linde, Sebastian; Alon, Amit; Ljaschenko, Dmitrij; Keung, Xi Zhen; Holm, Thorge; Rings, Annika; DiAntonio, Aaron; Hallermann, Stefan; Ashery, Uri; Heckmann, Manfred; Sauer, Markus & Kittel, Robert J.
  
• Ultrafast Action Potentials Mediate Kilohertz Signaling at a Central Synapse. Neuron, 84(1), 152-163.
  Ritzau-Jost, Andreas; Delvendahl, Igor; Rings, Annika; Byczkowicz, Niklas; Harada, Harumi; Shigemoto, Ryuichi; Hirrlinger, Johannes; Eilers, Jens & Hallermann, Stefan
  
• Reduced endogenous Ca 2+ buffering speeds active zone Ca 2+ signaling. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(23).
  Delvendahl, Igor; Jablonski, Lukasz; Baade, Carolin; Matveev, Victor; Neher, Erwin & Hallermann, Stefan
  
• Fast, Temperature-Sensitive and Clathrin-Independent Endocytosis at Central Synapses. Neuron, 90(3), 492-498.
  Delvendahl, Igor; Vyleta, Nicholas P.; von Gersdorff, Henrique & Hallermann, Stefan
  
• NMDA receptors amplify mossy fiber synaptic inputs at frequencies up to at least 750 Hz in cerebellar granule cells. Synapse, 70(7), 269-276.
  Baade, Carolin; Byczkowicz, Niklas & Hallermann, Stefan
  
• The Cerebellar Mossy Fiber Synapse as a Model for High-Frequency Transmission in the Mammalian CNS. Trends in Neurosciences, 39(11), 722-737.
  Delvendahl, Igor & Hallermann, Stefan
  
• Apparent calcium dependence of vesicle recruitment. The Journal of Physiology, 596(19), 4693-4707.
  Ritzau‐Jost, Andreas; Jablonski, Lukasz; Viotti, Julio; Lipstein, Noa; Eilers, Jens & Hallermann, Stefan
  
• How to maintain active zone integrity during high-frequency transmission. Neuroscience Research, 127, 61-69.
  Byczkowicz, Niklas; Ritzau-Jost, Andreas; Delvendahl, Igor & Hallermann, Stefan