Beitrag axonaler Kaliumkanäle zur präsynaptischen elektrischen Signalintegration und Transmitterfreisetzung an der hippokampalen Moosfaser
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Untersuchung des Beitrags axonaler und präsynaptischer Kaliumkanäle zur präsynaptischen Signalintegration und Transmitterfreisetzung an der hippokampalen Moosfaser ergab bereits zu Projektbeginn einen Befund, der von großer grundsätzlicher biologischer Bedeutung erschien. Die Messung des Kaliumstroms während einer aktionspotenzialgleichen Depolarisation an Moosfaserboutons, den präsynaptischen Elementen der Moosfaser, zeigte, daß der Kaliumstrom erst zum Zeitpunkt der maximalen Depolarisation, also spät während des Aktionspotenzials, einsetzt. Diese Beobachtung gab Anlaß, auch den Natriumstrom während einer aktionspotenzialgleichen Depolarisation zu messen, welcher, wie sich überraschenderweise zeigte, zum Zeitpunkt der maximalen Depolarisation bereits weitestgehend wieder zum Erliegen kommt. Beide Beobachtungen zusammen widersprachen der gängigen Lehrbuchansicht über Aktionspotenzialen zugrundeliegenden Ionenströme in marklosen Axonen in der Gehirnrinde von Säugern, welche aus Übertragungen von Befunden bzw. von Ionenkanalmodellen herrührt, die am Tintenfischriesenaxon gewonnen wurden. Es konnte mittels Simulation gezeigt werden, daß aufgrund der sehr geringen Überlappung von Natriumeinwärts- und Kaliumauswärtsstrom während eines Aktionspotenzials dessen Generierung wenig mehr als das theoretische Minimum an Energie erfordert, d. h. die Effizienz der Energienutzung sehr hoch ist. Dies steht im Gegensatz zur bisherigen Ansicht über marklose Axone, die einen drei- bis vierfach höheren Energiebedarf gegenüber dem theoretischen Minimum annahm. Die detaillierte Analyse der an der Repolarisation des präsynaptischen Aktionspotenzials am Moosfaserbouton beteiligten Kaliumkanäle ergab schließlich, daß zusätzlich zu Kv1- Kanälen hochspezialisierte Kv3-Kanäle beteiligt sind, was die notwendige Dichte der Kanalproteine auf mindestens die Hälfte reduziert im Vergleich zu einer Situation, in der ausschließlich Kv1-Kanäle die Aktionspotenzialrepolarisation bewerkstelligen. Weiterhin wurde gezeigt, daß spannungs- und zugleich calciumgesteuerte Kaliumkanäle das präsynaptische Aktionspotenzial durch ihre große Einzelkanalleitfähigkeit effizient und effektiv vor übermäßiger zeitlicher Verbreiterung schützen. Die untersuchten Kv7-Kanäle verleihen der axonalen/präsynaptischen Membran ein elektrisches Resonanzverhalten, das im Bereich von Theta-Frequenzen die Propagation unterschwelliger Membranpotenzialoszillationen begünstigt, was zur Modulation der Aktionspotenzialabhängigen Glutamatfreisetzung führen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2009) Energy-efficient action potentials in hippocampal mossy fibers. Science 325, 1405-1408
Alle, H., Roth, A., Geiger, J.R.
- (2011) Sparse but highly efficient Kv3 outpace BKCa channels in action potential repolarization at hippocampal mossy fiber boutons. Journal of Neuroscience 31, 8001-8012
Alle, H., Kubota, H., Geiger, J.R.
