Synapsen-Sanierung mit System

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Die Fortsätze der Nervenzelle entstehen beim Reiz durch Lernen. An den Enden der Fortsätze befinden sich Synapsen (links Original, rechts Rekonstruktion) Wächst die Synapse mit einem ausgewogenen Verhältnis aller Komponenten, bleibt sie auch über längere Zeiten stabil. Quelle: MPI f. Neurobiologie/ Meyer

24.04.2014  - 

Synapsen übertragen die Informationen zwischen Nervenzellen. Mit ihrer Stabilität steht und fällt auch die Dauer von Erinnerungen und die Beständigkeit von Erlerntem. Gleichzeitig müssen die Bauteile der Synapsen ständig erneuert werden. Wie unser Nervensystem diese Crux löst, konnten Max-Planck-Forscher nun beobachten: Offenbar kommt es auf das Verhältnis an, in dem die verschiedenen Proteinstrukturen zueinander wachsen. Kommt das Wachstum der Komponenten aus dem Gleichgewicht, kollabieren die neuen Strukturen bald darauf. Das berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals Cell (2014, Bd. 2, S. 430-443).

Beim Lernen werden im Gehirn neue neuronale Verbindungen geknüpft und frische Synapsen entstehen. Soll Erlerntes dauerhaft in unserem Gedächtnis bleiben, sollten die entsprechenden Synapsen stabilisiert werden. Wissenschaftler um Volker Scheuss vom Max-Plank-Institut für Neurobiologie in Martinsried haben eine mögliche Erklärung gefunden, wie Proteinbausteine kontinuierlich erneuert werden können, ohne die Stabilität der Synapsen zu gefährden.

Synapsen beim Denken beobachten

„Uns hat zunächst einmal interessiert, was mit den verschiedenen Komponenten einer Synapse passiert, wenn sie während des Lernens wächst”, sagt Studienleiter Volker Scheuss. Sein Team beobachtete in Kulturschalen das Wachstum von Synapsen nach einem Lern-Reiz. Der Mensch besitzt etwa 100 Billionen Synpasen, welche Signale von Nervenzelle zu Nervenzelle übertragen. Welche Rolle dabei Vesikel spielen, erklärt Jan Wolkenhauer in der 118. Folge der Kreidezeit.Quelle: biotechnologie.tvHierzu nutzten sie Glutamat. Der Botenstoff aktiviert einzelne Synapsen und regt sie so zum Wachstum an. Die Wachstumsvorgänge in der Pteri-Schale dokumentierten sie zunächst mit dem Zwei-Photonen-Mikroskop und anschließend mit einem höher auflösenden Elektronenmikroskopt. „Das war eine ziemliche Sisyphus-Arbeit, wenn man bedenkt, dass eine einzelne Synapse gerade mal einen 1000stel Millimeter groß ist”, erzählt Tobias Bonhoeffer, in dessen Abteilung die Untersuchungen stattfanden. 

Der Trick: Verhältnis wahren

Entscheidend für die Stabilität während der Synapsen-Renovierung ist offenbar, dass die verschiedenen Proteinstrukturen immer im passenden Verhältnis zueinander wachsen. Wuchs oder vermehrte sich nur eine Strukturkomponente allein, oder im falschen Verhältnis zu den anderen, so kollabierten diese Veränderung bald darauf wieder. Mit solch unvollständigen Änderungen können Synapsen keine langfristigen Erinnerungen speichern. „In solch einem System sollte es gut möglich sein, individuelle Proteine auszutauschen, während der Rest der Struktur die Stellung hält”, erläutert Scheuss. 

Nicht zu vergessen: das Vergessen

Wenn im Gegenteil eine ganze Komponentengruppe auf einmal wegbricht, wird die ganze Synapse destabiliert. Was zunächst nach einer Schwachstelle in diesem fein abgestimmten System klingt, ermöglicht eine Fähigkeit unseres Gehirns, die genau so wichtig ist, wie unser ausgeprägtes Lernvermögen: Ohne die Möglichkeit zu vergessen, könnte unser Gehirn nicht richtig funktionieren. Somit geben die Ergebnisse nicht nur Aufschluss über die Funktionsweise und die Enstehung von Synapsen. Sie dienen auch als Grundlage um Gedächtnisverlust zum Beispiel bei degenerativen Erkrankungen besser zu verstehen.

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