Synapsen, die mikroskopisch kleinen Strukturen, die die Informationsübertragung im Gehirn ermöglichen, sind von entscheidender Bedeutung für Prozesse wie Denken, Fühlen und Erinnern. Sie enthalten Tausende von Proteinen, die als molekulare Maschinen zusammenarbeiten. Störungen in der Funktion dieser Synapsenproteine können zu neurologischen Erkrankungen führen. Das Verständnis der synaptischen Funktion ist daher ein zentrales Ziel der modernen Hirnforschung.
Die Rolle der Synapsen in der neuronalen Kommunikation
Im menschlichen Gehirn sind etwa 100 Milliarden Nervenzellen, auch Neuronen genannt, miteinander vernetzt. Die Kommunikation zwischen diesen Zellen erfolgt hauptsächlich an den Synapsen, den Kontaktstellen zwischen den Neuronen. Dieser Prozess beinhaltet eine komplexe Abfolge elektrochemischer Ereignisse, bei denen die winzigen Zwischenräume zwischen einer sendenden und einer empfangenden Zelle überbrückt werden.
Vereinfacht ausgedrückt wird die synaptische Signalübertragung ausgelöst, wenn Kalziumionen in der sendenden Nervenzelle an spezifische Sensorproteine binden. Dies führt zur Freisetzung von Neurotransmittern, Botenstoffen, die die Zelle verlassen und von der Empfängerzelle aufgenommen werden. Die Empfängerzelle reagiert daraufhin mit einem messbaren elektrischen Signal.
Unterschiede in der Signalübertragung
Es gibt wesentliche Unterschiede in der Signalübertragung zwischen verschiedenen Hirnregionen. Diese Unterschiede können die Größe der Nervenzellen, die Anzahl der Synapsen und die Eigenschaften der kalziumbindenden Sensorproteine innerhalb der Zellen betreffen.
Eine Studie des Carl-Ludwig-Instituts (CLI) der Medizinischen Fakultät ergab, dass die Signalübertragung in der Großhirnrinde (Kortex) zuverlässiger ist als in anderen Hirnregionen. Der Kortex, auch bekannt als graue Hirnmasse, enthält Verarbeitungszentren für verschiedene Funktionen, einschließlich des somatosensorischen Kortex, der Sinneseindrücke vom Körper vorverarbeitet.
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Die Studie identifizierte das Sensorprotein Synaptotagmin 1 als entscheidend für die zuverlässigere Signalübertragung im Kortex. Synaptotagmin 1 reagiert bereits auf eine viel geringere Kalziumkonzentration in der Synapse und initiiert die Signalübertragung. Diese Eigenschaft trägt dazu bei, dass kortikale Synapsen nicht nur zuverlässiger, sondern auch plastischer sind, was eine Anpassung des Gehirns an neue Anforderungen ermöglicht.
SynGO: Eine Datenbank für synaptische Proteine
Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Neurobiologie (LIN) haben eine umfassende Datenbank namens SynGO entwickelt, die Informationen über synaptische Proteine enthält. Diese Datenbank schließt eine Lücke in der Forschung, indem sie einen zentralen Ort für gesicherte Informationen über alle synaptischen Proteine bietet.
SynGO ist ein Projekt des internationalen Gene Ontology (GO) Konsortiums, an dem 15 weltweit führende Labore beteiligt sind. In einer ersten Version haben die Forscher ihr Wissen in einer kuratierten Datenbank zusammengetragen und veröffentlicht. Systematisch wurden mehr als 1.100 individuelle synaptische Proteine und deren Gene erfasst und nach ihren Eigenschaften katalogisiert. Nutzer finden darin Informationen darüber, wo sich die Proteine innerhalb der Synapse befinden und welche Funktion sie haben.
Die SynGO-Datenbank ist die derzeit weltweit umfassendste Informationsquelle für die Funktion von Synapsenbausteinen und ihrer Gene. Sie erleichtert es, Zusammenhänge zwischen genetischen Variationen in der Ausstattung von Synapsen und geistigen Fähigkeiten oder Hirnerkrankungen beim Menschen zu erkennen.
Die Bedeutung synaptischer Gene für die Hirnfunktion
Synaptische Gene haben sich im Laufe der Evolution kaum verändert und sind somit vom Wurm bis zum Menschen erhalten. Sie sind funktionell viel empfindlicher gegenüber Mutationen im Vergleich zu anderen hirnspezifischen Genen. Variationen in synaptischen Genen hängen beispielsweise mit Intelligenz, Bildungsgrad, ADHS, Autismus und bipolarer Störung zusammen. Wenn in synaptischen Genen Mutationen auftreten, sind die Auswirkungen häufig schwerwiegender.
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Fortschritte in der Mikroskopie ermöglichen neue Einblicke
Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Mikroskopie-Methode entwickelt, mit der sich einzelne, tausendstel Millimeter kleine Nervenverschaltungen (Synapsen) darstellen lassen. Diese Methode ermöglicht es, im Gehirn zu beobachten, wie einzelne Nervenzellen Bewegungssignale empfangen und verarbeiten.
Die Forscher verfeinerten eine Mikroskopie-Methode namens 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie, mit der sich bis zu einem halben Millimeter in das Hirngewebe hineinblicken und eine einzelne Zelle beobachten lässt. Gleichzeitig leiteten sie mit haarfeinen Pipetten elektrische Signale an einzelnen Baum-Fortsätzen derselben Nervenzelle ab (Patch-Clamp-Technik).
Mit dieser Methode entdeckten die Forscher, dass ein "Richtungs"-Neuron bei mehreren, unterschiedlichen Bewegungen des Balkens vor dem Auge Signale von den mit ihm vernetzten Nervenzellen empfängt. In Zukunft will Konnerth mit seinem Forschungsansatz auch den Prozess des Lernens an einer einzelnen Nervenzelle beobachten.
Die Bedeutung der Forschung für die Entwicklung von Therapien
Die genaue Kenntnis der synaptischen Funktion im gesunden Gehirn legt die Basis dafür, gestörte Prozesse etwa bei Hirnerkrankungen zu erkennen und Therapieansätze zu entwickeln. Die Erkenntnisse aus der Synapsenforschung könnten auch für die Weiterentwicklung neuronaler Netzwerke in der Computerindustrie relevant sein.
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