Molekulare Organisation Aktiver Zonen im Kontext zeitlicher neuronaler Informationskodierung

• Antragsteller: Professor Dr. Robert J. Kittel
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408264519

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Informationsverarbeitung im Gehirn erfordert eine genaue Kodierung von Sinnesreizen, um einen reproduzierbaren, zuverlässigen Output zu generieren. Im Nervensystem wird neuronale Aktivität über chemische Synapsen weitergeleitet, gefiltert und integriert. Es wird daher angenommen, dass Zeitcodes, d.h. wo Informationsgehalt im ‚Spike Timing‘ verschlüsselt ist, entscheidend von den Eigenschaften der Neurotransmitterfreisetzung an der präsynaptischen aktiven Zone (AZ) abhängen. Der kausale Zusammenhang zwischen der Physiologie der AZ und den Zeitcodes wurde jedoch noch nicht eingehend untersucht. Die Molekulararchitektur der AZ beeinflusst das Timing und die Stabilität synaptischer Exozytose. AZ-Proteine, wie z.B. Drosophila Bruchpilot (Brp), steuern die zeitliche Präzision der Erregungs-Sekretionskopplung und modulieren die kontinuierliche Transmitterfreisetzung während anhaltender synaptischer Aktivität. In diesem Projekt wurde untersucht, wie die molekulare Organisation der AZ den neuronalen Zeitcode beeinflusst, v.A. hinsichtlich Präzision und Stabilität bei unterschiedlichen Stimulationsintensitäten. Durch die Untersuchung von Synapsen zwischen sensorischen Neuronen und Neuronen zweiter Ordnung im olfaktorischen System von Drosophila melanogaster, konnten wir ein besseres mechanistisches Verständnis erarbeiten, wie synaptische Funktion neuronale Kodierung im intakten Organismus bestimmt. Die Ergebnisse belegen, dass die Eigenschaften der AZ von entscheidender Bedeutung für die Generierung eines zuverlässigen neuronalen Codes sind. Eine Verringerung der Wahrscheinlichkeit der Transmitterfreisetzung aus olfaktorischen sensorischen Neuronen beeinträchtigt sowohl die Zuverlässigkeit der neuronalen Kodierung als auch des Verhaltens. Bemerkenswerterweise werden diese Defekte durch die zielspezifische homöostatische Addition Brp-positiver AZ innerhalb eines Tages kompensiert. Die Ergebnisse zeigen, dass synaptische Plastizität eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung einer zuverlässigen neuronaler Kodierung spielt. Darüber hinaus sind die Befunde von pathophysiologischem Interesse, da sie einen eleganten Mechanismus aufdecken, mit dem neuronale Schaltkreise Störungen ausgleichen können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Antinociceptive modulation by the adhesion GPCR CIRL promotes mechanosensory signal discrimination. eLife, 9.
  Dannhäuser, Sven; Lux, Thomas J.; Hu, Chun; Selcho, Mareike; Chen, Jeremy T.-C.; Ehmann, Nadine; Sachidanandan, Divya; Stopp, Sarah; Pauls, Dennis; Pawlak, Matthias; Langenhan, Tobias; Soba, Peter; Rittner, Heike L. & Kittel, Robert J.
  
• Controlling the behaviour of Drosophila melanogaster via smartphone optogenetics. Scientific Reports, 10(1).
  Meloni, Ilenia; Sachidanandan, Divya; Thum, Andreas S.; Kittel, Robert J. & Murawski, Caroline
  
• Differential Role for a Defined Lateral Horn Neuron Subset in Naïve Odor Valence in Drosophila. Scientific Reports, 10(1).
  Lerner, Hadas; Rozenfeld, Eyal; Rozenman, Bar; Huetteroth, Wolf & Parnas, Moshe
  
• Active zone compaction correlates with presynaptic homeostatic potentiation. Cell Reports, 37(1), 109770.
  Mrestani, Achmed; Pauli, Martin; Kollmannsberger, Philip; Repp, Felix; Kittel, Robert J.; Eilers, Jens; Doose, Sören; Sauer, Markus; Sirén, Anna-Leena; Heckmann, Manfred & Paul, Mila M.
  
• Glial ER and GAP junction mediated Ca2+ waves are crucial to maintain normal brain excitability. Glia, 70(1), 123-144.
  Weiss, Shirley; Clamon, Lauren C.; Manoim, Julia E.; Ormerod, Kiel G.; Parnas, Moshe & Littleton, J. Troy
  
• GPCR voltage dependence controls neuronal plasticity and behavior. Nature Communications, 12(1).
  Rozenfeld, Eyal; Tauber, Merav; Ben-Chaim, Yair & Parnas, Moshe
  
• PACmn for improved optogenetic control of intracellular cAMP. BMC Biology, 19(1).
  Yang, Shang; Constantin, Oana M.; Sachidanandan, Divya; Hofmann, Hannes; Kunz, Tobias C.; Kozjak-Pavlovic, Vera; Oertner, Thomas G.; Nagel, Georg; Kittel, Robert J.; Gee, Christine E. & Gao, Shiqiang
  
• The human cognition-enhancing CORD7 mutation increases active zone number and synaptic release. Brain, 145(11), 3787-3802.
  Paul, Mila M.; Dannhäuser, Sven; Morris, Lydia; Mrestani, Achmed; Hübsch, Martha; Gehring, Jennifer; Hatzopoulos, Georgios N.; Pauli, Martin; Auger, Genevieve M.; Bornschein, Grit; Scholz, Nicole; Ljaschenko, Dmitrij; Müller, Martin; Sauer, Markus; Schmidt, Hartmut; Kittel, Robert J.; DiAntonio, Aaron; Vakonakis, Ioannis; Heckmann, Manfred & Langenhan, Tobias
  
• Homeostatic synaptic plasticity rescues neural coding reliability. Nature Communications, 14(1).
  Rozenfeld, Eyal; Ehmann, Nadine; Manoim, Julia E.; Kittel, Robert J. & Parnas, Moshe
  
• Rab3 mediates cyclic AMP-dependent presynaptic plasticity and olfactory learning.
  Sachidanandan, Divya; Aravamudhan, Aishwarya; Mrestani, Achmed; Nerlich, Jana; Lamberty, Marius; Hasenauer, Natalie; Ehmann, Nadine; Pauls, Dennis; Seubert, Teresa; Maiellaro, Isabella; Selcho, Mareike; Heckmann, Manfred; Hallermann, Stefan & Kittel, Robert J.