Unterschiede in den präsynaptischen Kopplungstopografien zwischen dem posterioren parietalen Kortex und dem visuellen Kortex

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576903546

Neurone kommunizieren miteinander durch Freisetzung eines chemischen Neurotransmitters an ihren Synapsen. Zur Freisetzung des Neurotransmitters öffnen Kalziumkanäle in der präsynaptischen Endigung und das einströmende Kalzium löst die Fusion Transmitter-gefüllter synaptischer Vesikel aus. Dabei nimmt die Kalziumkonzentration mit der Entfernung vom Kanal rasch ab. Dies macht die Kopplungsdistanz zwischen Kanälen und Vesikeln zu einer wichtigen Determinante der Zuverlässigkeit der synaptischen Übertragung. Das Zusammenspiel mit der Dynamik freisetzungsbereiter Vesikel bestimmt auch die Plastizität der Synapsen. Derzeitige Befunde zeigen, dass im reifen Gehirn Synapsen, die an einer zuverlässigen Informationsübertragung beteiligt sind, mit enger Nanodomänen-Kopplung arbeiten. Dazu gehören auch glutamaterge neokortikale Synapsen im primären somatosensorischen (S1) und motorischen Kortex (M1). Demgegenüber wurde im reifen Gehirn die lose Mikrodomänenkopplung bislang nur in glutamatergen Synapsen im Hippocampus und – wie im Antrag gezeigt – im präfrontalen Cortex (PFC) gefunden. Funktionen dieser letztgenannten Bereiche umfassen Lernen und Gedächtnis, höhere Assoziationen, Kognition und Bewusstsein. Die Unterschiede in der Kopplung gingen mit Unterschieden in der synaptischen Zuverlässigkeit und Kurzzeitplastizität einher. Bemerkenswert ist, dass die Unterschiede in den Kopplungsdistanzen zwischen S1 und M1 einerseits und PFC andererseits bei identischen Nervenzelltypen – den kortikalen Pyramidenzellen – gefunden wurden. Ob es jedoch eine allgemeine Regel ist, dass Neurone in Arealen höherer Verarbeitungsstufen im reifen Kortex mit loser Kopplung arbeiten, ist derzeit unklar. Neben dem PFC beherbergt der Neokortex weitere Areale, die speziell an höheren Assoziationen und am Bewusstsein beteiligt sind. Hervorzuheben ist der posteriore parietale Cortex (PPC). Hier wird die Hypothese aufgestellt, dass Pyramidenzell-Synapsen im reifen PPC mit loser Mikrodomänenkopplung arbeiten, ähnlich wie im PFC. Weiterhin vermute ich, dass dieselben Synapsen im reifen primären visuellen Kortex (V1) mit enger Kopplung arbeiten, ähnlich wie in S1. Sowohl die Bestätigung als auch die Widerlegung dieser Hypothese würden wichtige Einblicke in die funktionelle Organisation der neokortikalen synaptischen Informationsübertragung liefern. Konkret sollen Kopplungsdistanzen, Kurzzeitplastizität und Vesikelpool-Dynamik von Synapsen zwischen Pyramidenzellen in Schicht 2/3 und Schicht 5 in PPC, V1 und V2 verglichen werden. Zusammen mit unseren Befunden aus PFC, S1, M1 und M2 würde dies eine vollständige „Karte der kortikalen Kopplungstopographien“ und deren Beziehung zu Areal-spezifischen Eigenschaften der synaptischen Informationsübertragung – einschließlich der Kurzzeitplastizität – ergeben. Das Gesamtbild könnte helfen, eine allgemeine Regel für den Zusammenhang zwischen Kopplungstopographie und Area-spezifischen Funktionen abzuleiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen