Showing papers in "Neuroforum in 2018"

Long-term potentiation in the hippocampus: discovery, mechanisms and function

Abstract: Abstract In this review we reflect upon our contributions to the study of the properties and mechanisms of long-term potentiation (LTP) and describe some of the major influences on our work. We then go on to consider whether LTP has fulfilled its early promise of providing a compelling account of the synaptic basis of learning and memory.

The Blood brain-barrier and its role in Alzheimer’s disease

Abstract: Abstract The blood brain-barrier (BBB), built up by the interaction of different cell types in vessels of the brain, is essential for brain homeostasis. As a gatekeeper of the central nervous system (CNS), the BBB controls the exchange of molecules between brain and blood. In many neurodegenerative diseases including Alzheimer’s disease (AD) the BBB show alterations which impair brain function and promote neurodegeneration. As an important elimination route for neurotoxic amyloid-beta (Aβ), the BBB is crucial for the healthy brain by regulating the concentration of soluble Aβ in the interstitial fluid (ISF) in the brain. Here, we discuss the composition and distinctive physiological features of CNS vasculature and the pathological alterations that are present in AD and disturb BBB function.

Motion detection: cells, circuits and algorithms

Abstract: Abstract Many animals use visual motion cues to inform different behaviors. The basis for motion detection is the comparison of light signals over space and time. How a nervous system performs such spatiotemporal correlations has long been considered a paradigmatic neural computation. Here, we will first describe classical models of motion detection and introduce core motion detecting circuits in Drosophila. Direct measurements of the response properties of the first direction-selective cells in the Drosophila visual system have revealed new insights about the implementation of motion detection algorithms. Recent data suggest a combination of two mechanisms, a nonlinear enhancement of signals moving into the preferred direction, as well as a suppression of signals moving into the opposite direction. These findings as well as a functional analysis of the circuit components have shown that the microcircuits that process elementary motion are more complex than anticipated. Building on this, we have the opportunity to understand detailed properties of elementary, yet intricate microcircuits.

Hippocampal synaptic plasticity in neurodegenerative diseases: Aß, tau and beyond

Abstract: Abstract The study of long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) in disease models provides essential mechanistic insight into synaptic dysfunction and remodelling in many neuropsychiatric and neurological illnesses. The ability of misfolded forms of the two key proteins of Alzheimer’s disease, amyloid ß (Aß) and the microtubule binding tau to disrupt hippocampal synaptic plasticity, engender highly sensitive litmus tests of impending synaptic failure and subsequent structural pathology. Many transgenic and injection-induced rodent models show rapid and persistent inhibition of LTP, and sometimes opposing effects of Aß and tau on LTD. Intriguingly, both intracellular and extracellular actions of these proteins are implicated. Both directly targeting these proteins and abrogating their synaptotoxic actions are being explored to redress the insidious shift from physiological to pathological plasticity in early Alzheimer’s disease.

See what you hear – How the brain forms representations across the senses

Abstract: Abstarct Our senses are constantly bombarded with a myriad of signals. To make sense of this cacophony, the brain needs to integrate signals emanating from a common source, but segregate signals originating from the different sources. Thus, multisensory perception relies critically on inferring the world’s causal structure (i. e. one common vs. multiple independent sources). Behavioural research has shown that the brain arbitrates between sensory integration and segregation consistent with the principles of Bayesian Causal Inference. At the neural level, recent functional magnetic resonance imaging (fMRI) and electroencephalography (EEG) studies have shown that the brain accomplishes Bayesian Causal Inference by dynamically encoding multiple perceptual estimates across the sensory processing hierarchies. Only at the top of the hierarchy in anterior parietal cortices did the brain form perceptual estimates that take into account the observer’s uncertainty about the world’s causal structure consistent with Bayesian Causal Inference.

Hippocampale synaptische Plastizität bei neurodegenerativen Erkrankungen: Aβ, Tau und darüber hinaus

Abstract: Zusammenfassung Die Untersuchung von Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD) in Krankheitsmodellen ermöglicht wichtige Einblicke in synaptische Dysfunktion und Umformung bei vielen neuropsychiatrischen und neurologischen Erkrankungen. Die Hemmung synaptischer Plastizität im Hippokampus durch fehlgefaltete Formen der beiden Schlüsselproteine der Alzheimer-Krankheit, Amyloid (Aβ) und Tau, liefert einen hochempfindlichen Test auf drohendes synaptisches Versagen und nachfolgende strukturelle Pathologie. Viele transgene und injektionsinduzierte Nagermodelle zeigen eine schnelle und andauernde Hemmung von LTP und manchmal entgegengesetzte Effekte von Aβ und Tau auf LTD. Interessanterweise sind sowohl intrazelluläre als auch extrazelluläre Wirkungen dieser Proteine beteiligt. Gegenwärtig werden sowohl diese Proteine als auch deren synaptotoxische Wirkungen erforscht, um die Verschiebung von physiologischer zu pathologischer Plastizität bei der frühen Alzheimer-Krankheit zu korrigieren.

Schauen Sie, was Sie hören – Wie das Gehirn mit allen seinen Sinnen die Welt wahrnimmt

Abstract: Zusammenfassung Unsere Sinne werden fortwährend mit den unterschiedlichsten Signalen bombardiert. Um dieses Sinneschaos zu verstehen, muss das Gehirn Sinnesreize integrieren, wenn sie von einer Quelle kommen, aber separate verarbeiten, wenn sie von unterschiedlichen Quellen kommen. Somit beruht multisensorische Wahrnehmung entscheidend auf dem Erfassen der kausalen Struktur, die die Sinnesreize erzeugt hat. Verhaltensstudien legen nahe, dass das Gehirn zwischen Integration and Segregation wie von normativen Modellen der Bayesianischen kausalen Inferenz vorhergesagt abwägt. Neueste funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) und Elektroenzephalographie (EEG) Studien zeigten, dass das Gehirn Bayesianische kausale Inferenz durchführt, indem es mehrere Wahrnehmungsschätzwerte dynamisch auf verschiedenen Ebenen der corticalen Hierarchie der Sinnesverarbeitung enkodiert. Erst an der Spitze der Hierarchie in anterioren parietalen Arealen formt das Gehirn Wahrnehmungsschätzwerte, die die Ungewissheit des Beobachters über die kausal Struktur der Umgebung berücksichtigt, wie von Modellen der Bayesianischen kausalen Inferenz vorhergesagt.

„Mind from Matter?“ – Über Verhalten und Gehirn

Abstract: Zusammenfassung Wie hat die Darwin‘sche Evolution aus toter Materie den menschlichen Geist (die Seele; engl. mind) hervorgebracht? Aus diesem langen, komplizierten Prozess nimmt der vorliegende Aufsatz einen wichtigen Abschnitt heraus, den vom tierischen Verhalten zur Tier-Seele (animal mind). Der Lebensprozess hat zwei Domänen: Die Erhaltung der internen Stabilität und die Wechselwirkung zwischen dem Organismus und der Welt. Bei Tieren sind diese Wechselwirkungen als Verhalten organisiert. In der Evolution entsteht nützliches Verhalten, weil dieses der Fitness zugutekommt. Angesichts des Reichtums der Welt und der Offenheit der Zukunft wird die Organisation des Verhaltens immer komplexer und indirekter (Metaorganisation). Dieses Konzept wird in dem vorliegenden Aufsatz mit Verhaltensstudien an der Fliege Drosophila dokumentiert.

Histone methylations in the developing central nervous system and in neural tube defects

Abstract: Fil: Villarreal, Alejandro. Institute Of Anatomy And Cell Biology; Alemania. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Houssay. Instituto de Biologia Celular y Neurociencia "Prof. Eduardo de Robertis". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Medicina. Instituto de Biologia Celular y Neurociencia; Argentina

On route with harbor seals - How their senses contribute to orientation, navigation and foraging

Abstract: Seals and sea lions are well-oriented in their habitat, the coastal regions and oceans, and are, moreover, successful hunters. During their movements between haul-out places and foraging grounds as well as during foraging, the sensory systems of seals and sea lions provide useful information, although the animals, and thus their sensory systems, face considerable challenges in their habitat and due to their amphibious lifestyle. In this review, in the first chapter, we compiled and later (chapter 4) discuss the information on the senses of seals and sea lions in general and their specific adaptations to habitat and lifestyle in particular. We hereby focus on the senses of harbor seals. Harbor seals turned into a model organism regarding the sensory systems due to intensive sensory research of the last decades. In the second and third chapter, the sensory basics are put into the context of orientation, navigation, and foraging. This allows formulating new research questions, such as where and how the information from different senses is integrated. (Less)

Die Rolle von Histonmethylierungen in der Entwicklung des zentralen Nervensystems und bei Neuralrohrdefekten

Abstract: Zusammenfassung Es ist essenziell, die Vorgänge, die während der Entwicklung des zentralen Nervensystems (ZNS) ablaufen, zu verstehen, um Krankheitsbilder wie Mikrozephalie oder Neuralrohrdefekte, welche aus fehlerhaften Prozessen während der Entwicklung des ZNS resultieren, zu entschlüsseln.

Langzeitpotenzierung im Hippokampus: Entdeckung, Mechanismen und Funktion

Abstract: Zusammenfassung In diesem Übersichtsartikel blicken wir auf unsere Beiträge zur Erforschung der Eigenschaften und Mechanismen der Langzeitpotenzierung (LTP) zurück und beschreiben die wichtigsten Einflüsse auf unsere Arbeit. Wir fahren dann fort abzuwägen, ob diese Forschung ihre frühen Versprechungen erfüllt hat, eine überzeugende Darstellung der synaptischen Grundlage der Gedächtnisspeicherung zu liefern.

Bewegungssehen: Zellen, Schaltkreise und Algorithmen

Abstract: Zusammenfassung Für viele Tiere ist die Verarbeitung visueller Reize und insbesondere Bewegungsreize von elementarer Bedeutung. Das Bewegungssehen beruht auf dem Vergleich von Lichtsignalen in Raum und Zeit. Zu verstehen, wie neuronale Netzwerke dies erreichen, gilt als Paradigma für die Durchführung spezifischer Rechnungen im Gehirn. Wir werden klassische Modelle des Bewegungssehens vorstellen und Einblicke in die Schaltkreise des Bewegungssehens in Drosophila geben. Direkte physiologische Messungen richtungsselektiver Zellen haben neue Erkenntnisse zur Umsetzung der Algorithmen des Bewegungssehens geliefert. Diese legen eine Kombination zweier Mechanismen nahe: Eine nicht-lineare Verstärkung von Bewegung in eine Richtung, sowie die Suppression von Bewegung in die entgegengesetzte Richtung. Diese Erkenntnisse und eine funktionelle Analyse der neuronalen Komponenten des Bewegungssehens ergeben, dass die Verarbeitung von Bewegungsreizen komplizierter ist als lange angenommen. Darauf aufbauend haben wir die Gelegenheit, die Eigenschaften grundlegender, aber komplexer Schaltkreise im Detail zu verstehen.

Die Blut-Hirn-Schranke und ihre Rolle in der Alzheimer – Krankheit

Abstract: Zusammenfassung Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) wird durch die Interaktion verschiedener Zelltypen in zerebralen Gefäßen gebildet und übernimmt eine zentrale Rolle in der Homöostase des Gehirns. Als Pförtner des Zentralen Nervensystems (ZNS) kontrolliert sie ständig den Austausch von Stoffen zwischen Blut und Gehirn. In vielen neurodegenerativen Erkrankungen, wie beispielsweise der Alzheimer-Demenz (AD), weist die BHS Veränderungen auf, welche die Funktion des Gehirns stören und eine Degeneration dessen fördern. Die BHS ist somit essenziell für das gesunde Gehirn. Durch Abtransport potenziell toxischer Amyloid-beta Peptide (Aβ) reguliert die BHS die Konzentration von löslichem Aβ in der interstitiellen Flüssigkeit (ISF) des Gehirns und ist somit ein wichtiger Beseitungsmechanismus, um diese loszuwerden. In diesem Artikel sollen sowohl Aufbau als auch die physiologischen Besonderheiten der zerebralen Gefäße besprochen werden, sowie auf die pathologischen Veränderungen eingegangen werden, die bei der AD auftreten und somit die Funktion der BHS stören.

From the lateral edge to the center of the cortex: The development of the human insula

Abstract: Abstract The human insula is a key node in a neuronal network which integrates interoceptive stimuli from the own body, and exteroceptive stimuli from the environment, and thus maintains the autonomic, emotional and socio-cognitive homeostasis of the body. In the last years, the insula has come into the focus of attention. Comparative anatomical studies showed that in many species the insula forms the lateral edge of the cortex. Very little is known about the prenatal development of the human insula, which is the first cortical region to mature. The origin of the pyramidal neurons for the insula is a small sector of the proliferating ventricular/subventricular zone at the cortico-striatal boundary (CSB). The CSB contains the radial glia cells, which are stem cells and give rise to a dense fascicle of radial glia processes. This fascicle traverses the external capsule and serves as a migration substrate for the neuroblasts on their way from the CSB into the insula. Around the 10/11th week of gestation, the lateral ventricle and its adjacent structures including the CSB bend in a C-shaped fashion. The insula now develops between a dorsal, fronto-parietal and a ventral, temporal CSB, which provide descending and ascending streams of neuroblasts, respectively, migrating along the radial glia fascicle. As a consequence of the ventricular rotation during ontogenesis, the human insula changes its initial position at the lateral edge of the cortex to its final central location, which reflects its integrative functions in brain activity.

Regulation of hippocampal information encoding by metabotopic glutamate receptors

Abstract: Abstract The hippocampus supports the acquisition of both spatial representations and long-term spatial memory. This is enabled by a triumvirate of physiological processes comprising information organisation and transfer by means of neuronal oscillations, creation of context-dependent spatial maps by means of place cells, and long-term storage of spatial experience by means of synaptic plasticity. All three processes are enabled by the glutamatergic system. Glutamate binding to ionotropic glutamate receptors enables both fast excitatory synaptic transmission (via AMPA receptors) and the initiation of long-term synaptic storage (via NMDA receptors). But glutamate also binds to metabotropic glutamate (mGlu) receptors. These receptors not only contribute to the stability of hippocampal encoding and the longevity of synaptic plasticity, they can also support synaptic information storage independent of NMDA receptor activation and are important for the acquisition and retention of long-term memory.

Mind from Matter? – Via Brain and Behavior

Abstract: Abstract How did the process of Darwinian evolution lead from dead matter to the human mind? Of this long, complicated process the present essay selects and discusses just one step, that from animal behavior to animal mind. The process of living has two aspects, the maintenance of the process in the organism and the interaction of the organism with the world. In animals the latter is organized as behavior. Behavior evolves, as it serves the fitness of the animal. The brain evolves because it improves the behavior in terms of the animal’s fitness. Given the richness of the world and the openness of the future, the organization of behavior can be indirect and most intricate. The animal mind can be understood as behavioral organization at a higher level, as metaorganization. This concept is documented by behavioral studies in a particular animal, the fly Drosophila.

Clustered plasticity in Long-Term Potentiation: How strong synapses persist to maintain long-term memory

Abstract: Abstract The storage of memory requires at least in part maintenance of long-term potentiation (LTP) in dendritic spine synapses. Neighboring synapses are frequently arranged into functional clusters. At present, it is still unclear how these clusters evolve, why they are stable for longer time periods and how spines interact within a cluster. In this review, we will provide an overview of current concepts of clustered plasticity and we will discuss cellular as well as molecular mechanisms that might be relevant for spine stability and associated functions in the context of LTP. We will propose that dynamics of initially formed clusters depend on compartmentalization of dendrites and that activity-dependent gene expression kicks in to preserve differences in synaptic weight. We will discuss how mechanisms of synaptic tagging, the presence of secretory organelles in dendrites and the incorporation of synaptic scaling factors that are encoded by immediate early genes interact to preserve clustered plasticity.

Geclusterte Plastizität bei Langzeitpotenzierung: Wie starke Synapsen bestehen bleiben, um Langzeitgedächtnis aufrechtzuerhalten

Abstract: Zusammenfassung Die Gedächtnisspeicherung erfordert, zumindest teilweise, die Langzeitpotenzierung (LTP) in den Synapsen der dendritischen Dornfortsätze aufrechtzuerhalten. Benachbarte Synapsen bilden häufig funktionelle Cluster. Gegenwärtig ist noch unklar, wie sich Cluster entwickeln, warum sie für längere Zeitabschnitte stabil sind, und wie Dornfortsätze innerhalb eines Clusters interagieren. In diesem Review werden wir einen Überblick über gegenwärtige Konzepte der geclusterten Plastizität geben, und wir werden die zellulären sowie die molekularen Mechanismen diskutieren, welche für die Stabilität der Dornfortsätze und die damit verbundenen Funktionen im Kontext mit LTP relevant sein können. Wir werden den Vorschlag machen, dass die Dynamik der initial gebildeten Cluster von der Kompartimentierung der Dendriten abhängt und dass die aktivitätsabhängige Genexpression dazu kommt, um die unterschiedlichen synaptischen Gewichtungen aufrechtzuerhalten. Wir werden diskutieren, wie für das Aufrechterhalten der geclusterten Plastizität eine Interaktion erfolgt zwischen den Mechanismen des synaptischen „Tagging“ (Etikettieren), der Anwesenheit sekretorischer Organellen in den Dendriten und dem Einbau der synaptischen Skalierungsfaktoren, welche durch unmittelbar-aktivierte Gene („immediate early genes, IEG) codiert werden.

Neurotransmittergesteuerte Rezeptoren in neuem Licht: Optische Methoden zur Kontrolle physiologischer Funktion

Abstract: Zusammenfassung Neurotransmittergesteuerte Rezeptoren sind auf vielfältige Weise an der synaptischen Signalleitung und Modulation beteiligt. Am Beispiel der Glutamatrezeptoren wird schnell deutlich, dass diese Rezeptorfamilien eine enorme Diversität aufweisen und es daher eine große Herausforderung bleibt, die unterschiedlichen Funktionen nah miteinander verwandter Rezeptorsubtypen aufzuklären. Pharmakologische und genetische Methoden werden zunehmend durch optogenetische Ansätze ergänzt, welche es erlauben, das Rezeptorsignaling mit Licht zu manipulieren. Am Beispiel der Glutamatrezeptoren lege ich dar, wie kovalent verankerte photoschaltbare Liganden genutzt werden können, um einzelne Rezeptorsubtypen mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision in ausgewählten Zellen zu kontrollieren. Mit diesen und ähnlichen Techniken eröffnen sich neue, vielversprechende Möglichkeiten, die Funktion bestimmter Rezeptoren im Nervensystem zu untersuchen.

Gedächtnismechanismen in Drosophila

Abstract: Zusammenfassung Zielgerichtetes Verhalten wird durch neuronale Schaltkreise im Gehirn gesteuert. Erfahrungen können die Dynamiken dieser neuronalen Schaltkreise verändern, indem spezifische synaptische Verbindungen modifiziert werden. Die Lokalisierung einer solchen lerninduzierten synaptischen Plastizität hat sich jedoch bis heute als anspruchsvoll erwiesen. Technische Fortschritte in der Kontrolle und Messung von neuronaler Aktivität haben es nun ermöglicht, die dem Lernen und der Gedächtnisbildung zugrunde liegenden Strukturen im Gehirn des Modelsystems Drosophila in vivo zu charakterisieren. Die Taufliege (Drosophila melanogaster) hat ein numerisch einfacheres Gehirn, was die Erforschung identifizierter Netzwerkkomponenten realisierbar macht. In diesem Artikel erörtern wir die Mechanismen, auf denen assoziatives Lernen, Gedächtnisabruf sowie die Reevaluierung von existierenden Gedächtnissen in Drosophila beruhen.

Molecular dynamics of neuronal information transfer

Abstract: Abstract A detailed analysis of synapses as connecting elements between neurons is of central importance to understand the brain’s cognitive performance and its constraints. Nowadays, state-of-the-art optical methods make possible to localize individual molecules in a living cell. In particular, the dynamics of molecular composition can be evaluated in smallest neuronal compartments, such as pre- and postsynaptic membrane. The monitoring of the distribution of receptors, ion channels, and adhesion molecules over time revealed their continuous stochastic motion. This is surprising, since the synapses are considered as accumulation sites anchoring these molecules. The direct manipulation of the lateral dynamics of glutamate receptors, in combination with classical electrophysiological approaches, demonstrated that such molecular dynamics is necessary for the induction of synaptic plasticity and, in turn, is influenced by synaptic activity. Therefore, the molecular dynamics requires further studies in the context of the brain function in health and disease.

Analyzing synaptic plasticity at the single cell level with STDP

Abstract: Abstract Using patch clamp recordings in acutely isolated brain slices allows to investigate molecular processes that are involved in long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) at the level of a single postsynaptic neuron. Via the pipette solution in the recording pipette, it is possible to apply inhibitors of signaling cascades selectively into the postsynaptic neuron to unravel the molecular mechanisms of synaptic plasticity. In recent years, LTP research has been increasingly focused on induction protocols for LTP and LTD that rely on a minimal number of repeated synaptic stimulations at low frequency to induce synaptic plasticity. This is where spike timing-dependent plasticity (STDP) comes into play. STDP can be induced by repetitive pairings of action potential firing in presynaptic (first neuron) – and postsynaptic (second synaptically connected) neurons, that occurs with a delay of roughly 5–20 ms in forward or backward manner. While forward pairing with short positive time delays (“pre before post”) leads to LTP, backward pairing (“post before pre”) leads to LTD. In addition to the exact sequence and timing of pre- and postsynaptic spiking, the presence of neuromodulatory transmitters in the extracellular space (e. g., dopamine, acetylcholine, noradrenaline) and the synaptic release of intercellular mediators of synaptic plasticity (e. g., BDNF, endocannabinoids) critically regulate the outcome of STDP protocols. In this review we focus on the role of these mediators and modulators of synaptic plasticity in STDP.

Unterwegs mit Seehunden – Wie deren Sinnessysteme zu Orientierung, Navigation und Futtersuche beitragen

Abstract: Zusammenfassung Robben sind in ihrem Lebensraum, den Küstenregionen und Meeren, wohlorientiert und zeigen sich als erfolgreiche Jäger. Sowohl auf ihren Wanderungen zwischen Ruheplätzen und Futtergründen als auch beim Aufspüren von Beute leisten die Sinnessysteme der Robben gute Arbeit, obwohl sich die Robben und damit ihre Sinnessysteme in ihrem Lebensraum und aufgrund ihrer amphibischen Lebensweise mit einigen Herausforderungen konfrontiert sehen. In diesem Übersichtsartikel werden die bisher vorhandenen Informationen über die Sinnessysteme der Robben und über spezifische Anpassungen der Sinne an Lebensraum und -weise im ersten Kapitel zusammengetragen und im letzten Kapitel kritisch beleuchtet. Hierbei wird der Fokus auf die Erkenntnisse gelegt, die über die Sinne des Seehunds erhalten wurden, da der Seehund durch intensive Erforschung in den letzten Jahrzehnten zum Modellorganismus innerhalb der Robben hinsichtlich der Sinnesorgane wurde. Im zweiten und dritten Kapitel werden dann die sensorischen Grundlagen in Bezug zu Orientierung, Navigation und Futtersuche gesetzt. Dies ermöglicht auch das Aufzeigen von Fragenstellungen, z. B. wie und wo die Informationen einzelner Sinne integriert werden.

Sonderforschungsbereich (SFB 1280) „Extinktionslernen“

Abstract: Zusammenfassung Im Juli 2017 etablierte die Deutsche Forschungsgemeinschaft an den Standorten Bochum, Essen, Dortmund und Marburg den SFB 1280. Ziel der Forschung des SFB ist die Aufklärung der lerntheoretischen, behavioralen, neuralen, immunologischen, genetischen und klinischen Mechanismen des Extinktionslernens – der komplexesten Form des Lernens. Dieser umfassende Ansatz ist notwendig, um die verschiedenen Facetten des Extinktionslernens zu identifizieren und somit grundlagenwissenschaftliche Erkenntnisse in klinische Anwendungen zu überführen. Mit 60 % der Projekte ist die Ruhr-Universität Bochum Sprecherhochschule (Sprecher: Prof. Dr. Onur Güntürkün). Der zweitgrößte Teilverbund kommt aus der Medizinischen Fakultät der Universität Duisburg-Essen (stellvertretende Sprecherin: Prof. Dr. Dagmar Timmann-Braun). Weitere beteiligte Institutionen sind das Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund sowie das Institut für Psychologie der Philipps-Universität Marburg.

Molekulare Dynamik der neuronalen Informationsübertragung

Abstract: Zusammenfassung Die detaillierte Analyse von Synapsen als verbindende Elemente zwischen Nervenzellen ist von zentraler Bedeutung, um sowohl die kognitiven Leistungen des Gehirns als auch deren Einschränkungen zu verstehen. Modernste optische Verfahren erlauben es heute, einzelne Moleküle in lebenden Zellen zu detektieren. Insbesondere kann so die Dynamik der molekularen Komposition in kleinsten Kompartimenten wie etwa den prä- und postynaptischen Membranen erforscht werden. Die Beobachtung der Verteilung von Rezeptoren, Ionenkanälen und Adhäsionsmolekülen über die Zeit lässt erkennen, dass diese einer ständigen stochastischen Bewegung unterliegen. Dies ist überraschend, sind doch Synapsen gerade für solche Proteinmoleküle als Akkumulationsorte mit vielen molekularen Anknüpfungspunkten beschrieben. Durch gezielte Beeinflussung der lateralen Bewegung von Glutamatrezeptoren in Verbindung mit klassischer Elektrophysiologie konnte gezeigt werden, dass die molekulare Dynamik entscheidend für die Induktion synaptischer Plastizität ist und ihrerseits durch synaptische Aktivität beeinflusst werden kann. Sie sollte daher auch mit Blick auf übergeordnete Hirnfunktionen und neurologische Erkrankungen näher untersucht werden.

Die Analyse synaptischer Plastizität auf Einzelzellebene mit Hilfe der STDP

Abstract: Zusammenfassung Mithilfe des Patch clamp-Verfahrens können die molekularen Prozesse, die der Langzeitpotentierung (LTP) und der Langzeitdepression (LTD) zugrunde liegen, auf der Ebene eines einzelnen postsynaptischen Neurons (Nervenzelle) in akut isolierten Gehirnschnitten untersucht werden. Über die in der Ableitelektrode enthaltene Pipettenlösung können dabei Inhibitoren intrazellulärer Prozesse in das postsynaptische Neuron eingebracht werden, um so die an der synaptischen Plastizität beteiligten Signalwege zu identifizieren. Zur Untersuchung der synaptischen Plastizität wurden in den letzten Jahren zunehmend Protokolle herangezogen, die durch eine minimale Anzahl von synaptischen Stimulationen mit niedriger Frequenz robuste LTP oder LTD auslösen. Zu diesen Stimulationsmustern gehört die sogenannte Spike timing-dependent plasticity (STDP). Sie kann durch wiederholtes nahezu gleichzeitiges Feuern von Aktionspotenzialen (APs) im präsynaptischen und im nachgeschalteten postsynaptischen Neuron induziert werden, wenn diese APs mit einer kurzen zeitlichen Verzögerung von ca. 5–20 ms ausgelöst werden. Während „Vorwärtspaarungen“ mit kurzem positiven Zeitversatz (erst prä- dann postsynaptisches AP) LTP auslösen, führt „Rückwärtspaarung“ (erst post- dann präsynaptisches AP) zu LTD. Zusätzlich zur Abfolge (vorwärts oder rückwärts) und der zeitlichen Verzögerung der APs, ist die Wirkung von neuromodulatorischen Transmittern (z. B. Dopamin, Acetylcholin, Noradrenalin) und die synaptische Freisetzung von intrazellulären Mediatoren der synaptischen Plastizität (z. B. BDNF, Endocannabinoide) kritisch an der Regulation von STDP-Protokollen beteiligt. In diesem Übersichtsartikel fokussieren wir uns auf die Rolle dieser Mediatoren und Modulatoren bei durch STDP ausgelösten synaptischen Plastizitätsphänomenen.

Die Regulation der hippokampalen Informationsenkodierung durch metabotrope Glutamatrezeptoren

Abstract: Zusammenfassung Der Hippokampus unterstützt den Erwerb von sowohl räumlichen Repräsentationen als auch von langfristigem räumlichen Gedächtnis. Dies wird ermöglicht durch das Zusammenwirken dreier physiologischer Prozesse, nämlich der Organisation und dem Transfer von Informationen mittels neuronaler Oszillationen, der Erstellung von kontextabhängigen räumlichen Karten mittels Ortszellen und der langfristigen Speicherung räumlicher Lernerfahrung mittels synaptischer Plastizität. Alle drei Prozesse werden durch das glutamaterge System ermöglicht. Die Bindung von Glutamat an ionotrope Glutamatrezeptoren ermöglicht sowohl die schnelle exzitatorische synaptische Transmission (über AMPA-Rezeptoren) als auch die Initiierung einer synaptischen Langzeitspeicherung (über NMDA-Rezeptoren). Aber Glutamat bindet sich auch an metabotrope Glutamat-Rezeptoren (mGlu). Diese Rezeptoren tragen nicht nur zur Stabilität der hippokampalen Enkodierung und der Langlebigkeit der synaptischen Plastizität bei, sie können auch die synaptische Informationsspeicherung unabhängig von der Aktivierung des NMDA-Rezeptors unterstützen und sind für Erwerb und Erhalt des Langzeitgedächtnisses wichtig.