Forschende des Carl-Ludwig-Instituts der Universit\u00e4t Leipzig haben herausgefunden, dass innerhalb der Gro\u00dfhirnrinde die synaptische Signal\u00fcbertragung zwischen Gehirnzellen bereits bei geringen Mengen von Kalzium-Ionen sehr zuverl\u00e4ssig funktioniert, anders als im hinteren Hirnbereich. Die Erkenntnisse sind ein weiterer Baustein f\u00fcr das Verst\u00e4ndnis des gesunden Gehirns, k\u00f6nnten sich aber auch als n\u00fctzlich f\u00fcr die Computerindustrie erweisen, wenn es etwa um die Entwicklung neuronaler Netzwerke geht. Die Ergebnisse wurden j\u00fcngst im renommierten Fachjournal Science publiziert.<\/p>\n
Denken, Lernen, F\u00fchlen \u2013 Sinneswahrnehmungen werden alle im Gehirn verarbeitet. Dort sind beim Menschen etwa 100 Milliarden Nervenzellen vernetzt. Die blitzschnelle Kommunikation zwischen diesen Gehirnzellen, auch Neuronen genannt, ereignet sich ma\u00dfgeblich als Signal\u00fcbertragung an den Kontaktstellen, den Synapsen.<\/p>\n
Dies ist ein komplexes Zusammenspiel elektrochemischer Prozesse, bei denen die winzigen Zwischenr\u00e4ume zwischen einer sendenden Zelle und der Empf\u00e4nger-Zelle \u00fcberbr\u00fcckt werden. Der zugrundeliegende Mechanismus ist bekannt: Sehr vereinfacht gesagt, wird eine synaptische Signal\u00fcbertragung ausgel\u00f6st, wenn sich in der Sender-Nervenzelle befindliche Kalzium-Ionen an spezifische Sensorproteine binden und infolgedessen Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, aus der Zelle ausgesch\u00fcttet werden. Die Empf\u00e4nger-Zelle reagiert mit einem messbaren elektrischen Signal.<\/p>\n
Unterschiede in der Signal\u00fcbertragung<\/p>\n
Dennoch gibt es in verschiedenen Bereichen des Gehirns wesentliche Unterschiede, die sich auf die Signal\u00fcbertragung auswirken k\u00f6nnen: etwa die Gr\u00f6\u00dfe der Nervenzellen, Anzahl der Synapsen und auch die Beschaffenheit der kalziumbindenden Sensorproteine innerhalb der Zellen.<\/p>\n
\u201eWir wissen schon l\u00e4nger, dass die \u00dcbertragung in der Gro\u00dfhirnrinde, also dem Kortex, sehr viel zuverl\u00e4ssiger erfolgt als in anderen Regionen des Gehirns\u201c, sagt Prof. Dr. Hartmut Schmidt vom Carl-Ludwig-Institut (CLI) der Medizinischen Fakult\u00e4t, Leiter der vorliegenden Studie. Der Kortex ist auch als graue Hirnmasse bekannt, der Verarbeitungszentren f\u00fcr verschiedene Funktionen beinhaltet, wie beispielsweise den somatosensorischen Kortex. Das ist der Bereich, in dem Sinneseindr\u00fccke vom K\u00f6rper vor-verarbeitet werden, bevor sie an andere Bereiche des Kortex weitergegeben werden.<\/p>\n
Sensorprotein entscheidend<\/p>\n
\u201eIn unserer aktuellen Arbeit haben wir herausgefunden, dass das Sensorprotein dort, Synaptotagmin 1 genannt, bereits auf eine viel geringere Kalziumkonzentration in der Synapse reagiert und die Signal\u00fcbertragung anst\u00f6\u00dft als beispielsweise das bereits seit 25 Jahren erforschte Sensorprotein in Zellen im hinteren Bereich des Gehirns, das Synaptotagmin 2\u201c, so der Biologe.<\/p>\n
\u201eDie Eigenschaften von Synaptotagmin 1 scheinen dazu beizutragen, dass die von uns untersuchten kortikalen Synapsen nicht nur zuverl\u00e4ssiger, sondern auch plastischer sind \u2013 eine Grundvoraussetzung daf\u00fcr, dass sich das Gehirn innerhalb des Lebens an neue Anforderungen anpassen kann.\u201c<\/p>\n
Die genaue Kenntnis dieser Faktoren im gesunden Gehirn legt die Basis daf\u00fcr, gest\u00f6rte Prozesse etwa bei Hirnerkrankungen zu erkennen und Therapieans\u00e4tze zu entwickeln. \u201eAber auch f\u00fcr die Weiterentwicklung neuronaler Netzwerke in der Computerindustrie k\u00f6nnten diese Erkenntnisse relevant sein\u201c, sagt Schmidt.<\/p>\n
Aufsp\u00fcren aktiver Synapsen<\/p>\n
Untersucht wurden die Zellen im prim\u00e4ren somatosensorischen Kortex im Gehirngewebe von M\u00e4usen. F\u00fcr ihre Versuchsreihe kombinierten die Forscher\/-innen mehrere Methoden: Sie ma\u00dfen die elektrischen Signale von miteinander verbundenen P\u00e4rchen von Nervenzellen per Patch-Clamp-Technik. Zeitgleich kontrollierten und ma\u00dfen sie die Kalziumkonzentration in den Synapsen \u2013 und zwar mittels eines UV-Lasers und eines Zwei-Photonen-Laser-Mikroskops.<\/p>\n
Zudem entwickelten sie ein eigenes Verfahren, das sie \u201eaxon walking\u201c nennen. Dieses erm\u00f6glicht, entlang der Nervenzellforts\u00e4tze, die als Axone bezeichnet werden, die jeweils gerade aktiven vier bis f\u00fcnf Synapsen aufzusp\u00fcren. Diese sind nur etwa Eintausendstel Millimeter gro\u00df.<\/p>\n
Anhand der Daten entwickelten die Wissenschaftler\/-innen f\u00fcr das untersuchte Sensorprotein ein detailliertes mathematisches Modell, das auch f\u00fcr andere Forschungsgruppen nutzbar ist. Aktuelle Anschlussvorhaben widmen sich der Frage, ob sich die synaptische Signal\u00fcbertragung innerhalb verschiedener Bereiche der Gro\u00dfhirnrinde noch mehr differenzieren l\u00e4sst.<\/p>\n
Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem European Research Council (ERC) gef\u00f6rdert.<\/p>\n