Verarbeitung komplexer Informationsströme in der Calyx-von-Held-Synapse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Informationsverarbeitung im Gehirn funktioniert dadurch, dass Neurone einen oder mehrere Inputs von anderen Hirnzentren erhalten, diese integrieren und verrechnen, und das Ergebnis an das jeweils nächsthöhere Hirnzentrum weiterleiten. Synapsen, die Kontaktpunkte zwischen Neuronen, spielen eine grundlegende Rolle in diesem Informationsverarbeitungsprozess, da sich die Signale von Synapsen, je nach Aktivitätslevel, dynamisch ändern (short-term plasticity). Die Calyx of Held ist eine Riesensynapse im auditorischen Hirnstamm, die zeitlich präzise Hörinformation verarbeitet und u.a. wichtige Beiträge zur Schalllokalisation leistet. Aufgrund ihrer extremen Größe etablierte sich die Calyx of Held in den letzten Jahren zu einem der Standardmodelle für Untersuchungen zur synaptischen Übertragung. Die Untersuchungen werden typischerweise in akuten Hirnschnitten durchgeführt, d.h. in Scheiben von lebendem Hirngewebe, welches die Zellen oder Synapsen von Interesse enthält. Diese Schnitte stellen reduzierte Systeme dar, denen eine große Zahl der für das intakte Gewebe typischen Eingänge fehlt, im Fall der Calyx u.a. auch der Eingang vom Hörnerv. Deshalb werden in solchen Versuchen auditorische Signale durch elektrische Stimulationen nachempfunden. Im Fall der Calyx wurden derartige Versuche in der Vergangenheit durchgeführt, jedoch ohne die für den auditorischen Hirnstamm typischen Spontanaktivitätsraten zu berücksichtigen. Diese Spontanaktivitat wird vom Innenohr produziert und ist immer im Hörnerv präsent, auch dann wenn keine auditorischen Signale empfangen werden. Ältere Versuche imitierten die Schallaktivität, ohne die Spontanaktivität zu berücksichtigen. Unsere neueren Ergebnisse deuten allerdings daraufhin, dass die Spontanaktivität den Grundzustand der Synapsen stark verändert, so dass im intakten Gehirn Schallinformationen immer auf dem Hintergrund der Spontanaktivität verarbeitet werden. In akuten Hirnschnitten hingegen fehlt diese, d.h. Schallinformationen werden gegen einen Hintergrund von artifizieller Inaktivität getestet. Dieser Unterschied hat wichtige Auswirkungen auf viele Details der synaptischen Übertragung, wie z.B. die Amplituden oder das Timing der Signale, bis hin zur Zuverlässigkeit der synaptischen Übertragung selbst. Ein Computermodell, das synaptische Übertragung in der chronisch aktiven Calyx of Held modelliert, stellt die dynamischen Veränderungen der Synapse während der Verarbeitung von komplexer Schal l information mit sehr hoher Genauigkeit dar, was darauf schließen lässt, dass die physiologischen Parameter der Übertragung in der aktiven Calyx gut beschrieben wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Inhibition the Inhibition: A Neuronal Network for Sound Localization in Reverberant Environments. J. Neurosci. 27:1782-1790, 2007
Pecka et al.
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Synaptic Transmission at the Calyx of Held under In Vivo-Like Activity Levels. J. Neurophysiol. 98: 807-820, 2007
Hermann et al.
