Präsenz und Funktion von axonalen Synapsen in einer evolutiv konservierten neuronalen Population in Säugetieren

• Antragsteller: Professor Dr. Felix Felmy
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571265140

Axone sind die Hauptausgabekompartimente von Neuronen, welche für die Informationsübertragung verantwortlich sind. Sie spielen eine zentrale Rolle in der neuronalen Kommunikation und ermöglichen komplexe Verhaltensprozesse. Synaptischer Input entlang des axonalen Kompartiments moduliert die neuronale Erregbarkeit, die Erzeugung von Aktionspotenzialen und das Timing sowie die Genauigkeit der Signalweiterleitung. Obwohl solche Mechanismen in einigen Hirnregionen zunehmend bekannt sind, sind ihre Existenz und funktionelle Bedeutung in den auditorischen Bahnen unerforscht – obwohl gerade dort Timing und Präzision von Aktionspotenzialen von entscheidender Bedeutung ist. In diesem Projekt wird die Struktur und Funktion von axonalen Synapsen im medialen Nukleus des Trapezkörpers (MNTB), einer zentralen auditorischen Hirnstammstruktur die unter anderem für präzise binaurale Verarbeitung und Schalllokalisation essenziell ist, untersucht. Während die somatische synaptische Integration im MNTB erforscht wurde, ist die Organisation und Rolle zusätzlicher axonaler synaptischer Inputs unbekannt. Unsere vorläufigen Daten zeigen das Vorhandensein axonaler Synapsen am Ausgangskompartiment der MNTB-Neurone. Mit serieller Elektronenmikroskopie und Expansionsmikroskopie wird das Vorhandensein der axonalen Synapsen, deren räumliche Verteilung und die Struktur des axonalen Kompartiments im MNTB bestimmt. Um die funktionelle Relevanz dieser Synapsen zu beurteilen, wird ein Computermodell basierend auf experimentell gemessener Axongeometrie und Synapsenverteilung erstellt. Mit diesem Modell simulieren wir, wie lokaler synaptischer Input am Axon die Initiierung und Weiterleitung von Aktionspotenzialen moduliert. Diese Vorhersagen werden durch in-vitro-Physiologie getestet, bei der die lokale Anwendung von Neurotransmittern am Axon genutzt wird, um die Auswirkungen des axonalen Inputs auf Spike-Timing und -Zuverlässigkeit zu untersuchen. In einem vergleichenden Ansatz werden axonale Synapsen bei Mäusen und Etruskerspitzmäusen untersucht – Arten, die ein ideales Modellsystem darstellen, um zu erforschen, wie Gehirngröße und Verhalten neuronale Schaltkreise geformt haben. Obwohl artspezifische Unterschiede in der Input-Output-Funktion von MNTB-Neuronen ökologische Anpassungen widerspiegeln, sind deren Struktur und die Gesamtfunktion des Schaltkreises konserviert. Die Untersuchung der Organisation und Funktion axonaler Synapsen im MNTB erlaubt es uns daher, artspezifische Anpassungen zu identifizieren und gleichzeitig verzerrende Faktoren für den artspezifischen Vergleich zu minimieren. Dieses Projekt kombiniert strukturelle, funktionelle und computergestützte Methoden, um eine umfassende Analyse axonaler Synapsen in einem ultra-präzisen auditorischen Schaltkreis zu liefern. Der vergleichende Ansatz ermöglicht Rückschlüsse über die auditive Verarbeitung und bietet weiterreichende Erkenntnisse über die Anpassung sensorischer Systeme über verschiedene Arten hinweg.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen