Signalverarbeitung in Horizontalzellen der Säugerretina - Kodierung visueller Informationen durch Calcium- und Natriumaktionspotentiale

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Feigenspan
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422915148

Wie werden visuelle Informationen an der ersten Synapse des visuellen Systems kodiert? Horizontalzellen verarbeiten Signale, die sie unmittelbar von Photorezeptoren erhalten, und modulieren durch hemmendes Feedback die Transmitterfreisetzung an Ribbonsynapsen. Dabei bilden Zapfen Synapsen mit den Dendriten der Horizontalzellen, während Stäbchen das Axonterminalsystem kontaktieren. Nach bisherigem Kenntnisstand erzeugen Horizontalzellen keine Aktionspotentiale, und eine elektrotonische Signalleitung zwischen Soma und Terminalsystem wird aus physikalischen Gründen ausgeschlossen.Wir haben jedoch calciumbasierte Aktionspotentiale in den Zellkörpern von Horizontalzel-len sowie durch Natriumionen getragene Ströme in den Axonterminalsystemen nachweisen können. Offensichtlich tragen neben graduierten Potentialen auch Aktionspotentiale zur Kodierung und Verarbeitung visueller Signale bei. Ein dynamischer Übergang von graduierten Potentialen hin zu Aktionspotentialen entspricht dem Wandel von analogen zu digitalen Signalen. Dieser Moduswechsel beeinflusst die räumliche Ausbreitung und Zeitstruktur intrazellulärer Signale und ist damit von zentraler Bedeutung für die Kodierung visueller Informationen. Aktionspotentiale verschieben den Fokus von einer lokalen, dendritischen Signalverarbeitung hin zu einer integrativen Funktion der gesamten Zelle. Angesichts der elektrischen Kopplung von Horizontalzellen umfasst dieser integrative Prozess sehr wahrscheinlich ein aus zahlreichen Neuronen bestehendes Netzwerk und damit große Teile der Retina.Weiterhin sind Aktionspotentiale eine entscheidende Voraussetzung für die Kommunikati-on zwischen Zellkörper und Axonterminalsystem. Ein Austausch von Signalen zwischen beiden Kompartimenten ermöglicht eine bisher unbekannte Wechselwirkung skotopischer und photopischer Signalflüsse auf der Ebene des zweiten Neurons im visuellen System.Im Rahmen dieses Antrags sollen die von Horizontalzellen exprimierten Subtypen span-nungsgesteuerter Natrium- und Calciumkanäle sowie ihre subzelluläre Lokalisation und Dichte untersucht werden. Mit Patch-Clamp-Ableitungen können wir Aktionspotentiale mit hoher zeitlicher Auflösung messen und die Präzision bestimmen, mit der visuelle Signale kodiert werden. So identifizieren wir diejenigen Parameter, die für den Übergang von graduierten Potentialen zu Aktionspotentialen verantwortlich sind. Die räumliche Ausbreitung calciumbasierter Signale innerhalb der Dendriten und des Axonterminalsystems wird durch schnelle bildgebende Verfahren aufgeklärt.Wir erwarten von den geplanten Experimenten ein grundlegendes Verständnis der raum-zeitlichen Kodierung visueller Informationen auf einer sehr frühen Verarbeitungsstufe des Sehprozesses. Aktionspotentiale als Informationsträger erweitern den Funktionsbereich einzelner Synapsen und haben daher entscheidenden Einfluss auf die zellübergreifende Integration von Feedback-Mechanismen und auf die Dynamik rezeptiver Feldstrukturen nachgeschalteter Zellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen