Area-spezifische Unterschiede in corticalen präsynaptischen Kopplungsdistanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Entwicklungsneurobiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518845403

Informationsverarbeitung im Gehirn basiert auf synaptischer Transmission und Plastizität. Ein Aktionspotential öffnet Kalziumkanäle an der präsynaptischen aktiven Zone und das einströmende Kalzium löst die Fusion synaptischer Vesikel durch Bindung an ein vesikuläres Sensorprotein aus. Dabei nimmt die Kalziumkonzentration mit der Entfernung vom Kanal rasch ab. Dies macht die Kopplungsdistanz zwischen Kanälen und Vesikeln zu einer fundamentalen Determinante der Zuverlässigkeit und Plastizität der synaptischen Übertragung. Bislang wurden zwei Typen der Kopplung unterschieden, eine enge Nanodomänenkopplung und eine losere Mikrodomänenkopplung. Im reifen Gehirn wurde Nanodomänenkopplung an Synapsen mit hoher Verlässlichkeit gefunden. Hierzu zählen insbesondere Synapsen, die frequenzkodierte sensorischen Signale übertragen und rekurrente Synapsen. Die Nanodomänenkopplung an diesen Synapsen entwickelte sich im Laufe der postnatalen Reifung aus einer losen Mikrodomänenkopplung. Im reifen Gehirn wurde die lose Mikrodomänenkopplung bisher nur an einer hoch plastischen Synapse im Hippocampus gefunden. Ob dies eine allgemeine Gesetzmäßigkeit darstellt ist bisher jedoch unklar. Insbesondere ist unklar, ob sich Kopplungsdistanzen und Domänenstrukturen an den gleichen Synapsentypen unterscheiden, wenn sie in Hirnregionen mit unterschiedlicher Funktion lokalisiert sind. Der Neo- oder Isocortex ist ein homogener Teil des Gehirns der sehr unterschiedliche Funktionen vereint. Diese reichen von der frühen Verarbeitung sensorischer Information über motorische Kontrolle bis hin zu höheren assoziativen und kognitiven Funktionen. Bemerkenswerterweise werden all diese unterschiedlichen Funktionen von den gleichen grundlegenden Neuronentypen und Synapsen vermittelt, die sich jedoch in funktionell unterschiedlichen Arealen des Neocortex befinden. Hier wird die Hypothese aufgestellt, dass diese Area-spezifischen Unterschiede im reifen Cortex mit Unterschieden in den präsynaptischen Kopplungsdistanzen assoziiert sind oder sogar auf ihnen beruhen. Im Detail schlage ich vor, dass im reifen Cortex Synapsen zwischen den grundlegenden prinzipalen Pyramidenneuronen der Schichten 2/3 und 5 in Areale der frühen Informationsverarbeitung (insb. primärer somatosensorischer Cortex) mit enger Nanodomänenkopplung arbeiten, während sie in höhere Areale (insb. präfrontaler Cortex) mit loser Mikrodomänenkopplung arbeiten. Die Nanodomänenkopplung wird im Laufe der postnatalen Reifung entstehen. Aus den unterschiedlichen synaptischen Nanotopographien werden charakteristische Unterschiede in der synaptischen Verlässlichkeit und Plastizität zwischen den Cortex-Regionen resultieren. Ein Vergleich der Entwicklungsdynamik synaptischer Nanotopographien zwischen unterschiedlichen Cortex-Regionen wird wichtige neue Erkenntnisse über das Verhältnis zwischen präsynaptischer Feinstruktur und Funktion liefern und möglicherweise eine allgemeine Regel für dieses Verhältnis etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen