Entwicklungsabhängigkeit der Kopplung zwischen Ca2+ Einstrom und Transmitterfreisetzung an der aktiven Zone erregender kortikaler Synapsen

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248773225

Die schnelle Neurotransmitterfreisetzung wird an der aktiven Zone chemischer Synapsen durch den Einstrom von Kalzium durch spannungsgesteuerte Kalziumkanäle ausgelöst. Dabei ist die Kopplungsdistanz zwischen diesen Kanälen und den Neurotransmitter gefüllten Vesikeln wesentlich für die Geschwindigkeit, Verlässlichkeit und Energieeffizienz der Transmitterfreisetzung und somit der Informationsweitergabe. Eine enge, sog. Nanodomänenkopplung, fördert die Effektivität der Übertragung, während eine losere, sog. Mikrodomänenkopplung, zu geringerer Effektivität führt. Interessanterweise wurde die verlässliche Nanodomänenkopplung zunächst nur an Synapsen des peripheren Nervensystems, einer Synapse im Hirnstamm und inhibitorischen Synapsen des Zentralnervensystems (ZNS) gefunden. Demgegenüber zeigten Befunde zu juvenilen erregenden Synapsen des Hippocampus und zerebralen Kortex die weniger verlässliche Mikrodomänenkopplung. Dies führte zu der Auffassung, dass erregende kortikale Synapsen mit Mikrodomänenkopplung operieren. Abweichend von dieser Auffassung hat unsere Arbeitsgruppe kürzlich Befunde veröffentlicht, die eine Nanodomänenkopplung an der erregenden Parallelfasersynapse zwischen Körnerzellen und Purkinjezellen des zerebellären Kortex adulter Mäuse zeigen. Da es sich hierbei um die vermutlich häufigste Synapse im ZNS handelt, stellte dies die Allgemeingültigkeit der zuvor genannten Ansicht in Frage. Ein Vergleich der früheren Befunde mit denen unserer Arbeitsgruppe, zusammen mit einer Analyse von Befunden aus der Calyx von Held Hirnstammsynapse, lässt vielmehr vermuten, dass die Kopplungsdistanz postnatal verringert wird. Gegenstand der beantragten Studie ist es die Hypothese einer postnatal regulierten Verringerung der Kopplungsdistanz bei erregenden kortikalen Synapsen zu testen. Um zu einer generellen Aussage zu kommen, sollen dabei sowohl Synapsen der Großhirnrinde als auch der Kleinhirnrinde in unterschiedlichen Altersstufen untersucht werden. Spezifisch soll auf die Verbindung zwischen neokortikalen Schicht 5 Pyramidenzellen und auf die bereits erwähnte zerebelläre Parallelfasersynapse fokussiert werden. Die im Antrag dargelegten vorläufigen Befunde sprechen für die Richtigkeit der Hypothese, bedürfen aber substanzieller Erweiterungen. Kenntnisse über die Kopplungsdistanz und ihre Regulation sind entscheidend, um die Effektivität synaptischer Übertragung und Mechanismen der synaptischen Plastizität korrekt zu interpretieren. Da Übertragung und Plastizität Kernbereiche neuronaler Kodierung sind, ist die Klärung einer möglichen Kopplungsregulation von allgemeinem Interesse zum Verständnis der Reifung von Synapsen und der Informationsverarbeitung im Gehirn.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen