Adulte Neurogenese im Hippocampus: Mechanismen der glutamatergen synaptischen Transmission
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt wurden die funktionellen Eigenschaften von reifen und neu generierten jungen hippocampalen Körnerzellen untersucht. Die Körnerzellen stellen neben den CA1- und CA3-Pyramidenzellen die größte Population von hippocampalen Neuronen dar, und können als einzige Neuronen-Population der Großhirnrinde auch im erwachsenen Gehirn von neuronalen Stammzellen nachgebildet werden. Neuere Befunde deuten außerdem daraufhin, dass Körnerzellen bei Lern- und Gedächtnisprozessen für besondere Aufgaben spezialisiert sind, die im Hippocampus zur besseren Unterscheidung ähnlicher Gedächtnisinhalte (Pattern Separation) beitragen können. Im Gegensatz zu den Pyramidenzellen, gibt es weit weniger Studien zu funktionellen Eigenschaften der Körnerzellen, was unter anderem daran liegt dass sie kleiner sind und viele Funktionen schwerer zu analysieren sind. Insbesondere ist wenig über die funktionellen Eigenschaften neu generierter junger Körnerzellen bekannt. Wir haben daher mit relativ fundamentalen Fragen begonnen und zuerst die Entstehung und Fortleitung von Aktionspotentialen untersucht. Für reife Körnerzellen konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass Aktionspotentiale im proximalen Axon sehr nahe des Somas generiert werden. Wir konnten außerdem feststellen, dass die APs nicht nur entlang des Axons in Richtung der Ausgangs-Synapsen sondern auch in den proximalen Dendritenbaum hineingeleitet werden. Mit Hilfe von konfokalen Ca2+- Imaging-Eperimenten wurde festgestellt, dass diese zurückgeleiteten APs in den Dendriten zu großen transienten Ca2+-Signalen führen. Ein Vergleich von jungen und reifen Neuronen zeigte, dass der zeitliche Verlauf der Signale in den jungen Zellen ca. 5-fach langsamer war als in den reifen Zellen. Dies führte zu einer besseren zeitlichen Summation und damit zu größeren dendritischen Ca2+ Signalen in der jungen Neuronen die sowohl für dendritisches Wachstum, als auch für die Induktion von synaptischer Plastizität von Vorteil sein könnten. Der schnelle Verlauf der der Ca2+-Transienten in reifen Körnerzellen könnte dagegen Ca2+-abhängige plastische Prozesse auf starke hochfrequente Ereignisse beschränken. Für reife Körnerzellen wurde mit Hilfe von Doppelableitungen und 2- Photonmikroskopie ein detailgetreues passives Kabelmodell erstellt, womit die dendritische Integration postsynaptischer Potentiale analysiert wurde. Es zeigte sich, dass Körnerzelldendriten hervorragend für die zeitlich präzise Detektion koinzidenter synaptischer Eingänge geeignet sind. Wir haben zum ersten Mal axonale Na+-Kanäle von Körnerzellen biophysikalisch analysiert und festgestellt, dass sie doppelt so schnell aktivieren wie die somatischen Kanäle. Es konnte gezeigt werden, dass diese funktionelle Spezialisierung dazu führt, dass trotz relativ geringer Na+-Kanal-Dichte APs ausschließlich im proximalen Axon Initiiert werden. Dies erlaubt eine besonders präzise Kontrolle der AP-Entstehung durch Axon-inhibitorische Interneurone.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007). Subthreshold dendritic signal processing and coincidence detection in dentate gyrus granule cells. J Neurosci 27: 8430-8441
Schmidt-Hieber C, Jonas P, Bischofberger J
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(2007). Young and excitable: New neurons in memory networks. Nature Neuroscience 10:273-275
Bischofberger J
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(2008). Action potential initiation and propagation in hippocampal mossy fibre axons. J Physiol 586:1849-1857
Schmidt-Hieber C, Jonas P, Bischofberger J
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(2008). Differential dendritic Ca2+ signalling in young and mature hippocampal granule cells. J Physiol 586: 3795- 3811
Stocca G, Schmidt-Hieber C, Bischofberger J
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(2008). Maturation and functional integration of new granule cells into the adult hippocampus. Chapter 15, page 299-319, In: Gage FH, Song H, Kempermann G (ed): Adult Neurogenesis, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York
Bischofberger J, Schinder A
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(2009). Synaptic network activity induces neuronal differentiation of adult hippocampal precursor cells through BDNF signalling. Frontiers in Neuroscience
Babu H, Ramirez-Rodriguez G, Bischofberger J, Kempermann G
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(2010). Fast sodium channel gating supports localized and efficient axonal action potential initiation. J Neurosci, 30: 10233-10242
Schmidt-Hieber C, Bischofberger J
