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Was an Synapsen passiert

Wie denken wir? Wie erinnern wir uns? Für Professor Peter Jonas vom Physiologischen Institut I der Universität Freiburg ist es das Netzwerk aus Nervenzellen in unserem Gehirn, das diese Leistungen hervorbringt. Und weil die Funktionsweise des Netzwerks von den Eigenschaften der Kontakte zwischen den einzelnen Nervenzellen abhängt, untersucht er die Prozesse, die an diesen Kontaktstellen, den Synapsen, ablaufen. Sein Wissen tauscht er dabei mit Freiburger und Basler Kollegen aus. Mit ihnen hat er den gemeinsamen Sonderforschungsbereich 780 (SFB 780) mit dem Titel „Synaptische Mechanismen neuronaler Netzwerkfunktion“ ins Leben gerufen.

Täglich ist das menschliche Gehirn einer Flut von Reizen aus seiner Umgebung ausgesetzt. Wie filtert es aus diesem Chaos relevante Information heraus? Wie kodiert es diese Information? Wie speichert es sie und ruft sie zu späteren Zeitpunkten wieder ab? Diese Prozesse kommen durch die komplexe Verschaltung zwischen Neuronen zustande, von denen es im menschlichen Denkorgan etwa 10 hoch 11 gibt. Erst im Netzwerk können die einzelnen Zellen des Gehirns so unglaubliche Leistungen wie Denken oder Gedächtnis erbringen. Und weil die Eigenschaften eines solchen Netzwerks durch die Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen bestimmt werden, spielen diese Kontakte, oder Synapsen, eine herausragende Rolle.

Über das Lehrbuchwissen hinaus

So sehen Synapsen im Elektronenmikroskop aus. (Abbildung: Prof. Michael Frotscher und AG Prof. Peter Jonas)
An den Synapsen übermittelt eine Nervenzelle Information auf eine andere. Das elektrische Signal, das sie über ihren Nervenfortsatz (das Axon) leitet und das die Information kodiert, führt auf ihrer Seite der Synapse dazu, dass Membranbläschen mit Botenstoffen (den Neurotransmittern) in den Spalt zwischen ihr und ihrem Kommunikationspartner freigesetzt werden. Die Neurotransmitter wiederum reizen bestimmte Ionenkanäle auf der Membran der nachgeschalteten Zelle und erzeugen dort ein analoges elektrisches Signal. Soweit die Theorie.

„Das heutige Wissen über die Vorgänge an den Synapsen stammt aus den Experimenten an einigen wenigen Nervenzelltypen“, sagt Peter Jonas, Leiter des Physiologischen Instituts I der Universität Freiburg und Koordinator des SFB 780. „Es kann höchstens Modellcharakter beanspruchen und nicht ohne Vorbehalte verallgemeinert werden.“ Funktionieren alle Synapsen auf die gleiche Weise? Oder weisen diejenigen in den höheren Zentren des Gehirns wichtige Unterschiede zu den bisher untersuchten auf? Noch weiß man viel zu wenig darüber, was zwischen den Nervenzellen in Regionen wie dem Hippocampus geschieht, der für die Speicherung von Information und somit für das Gedächtnis und das Denken eine wichtige Rolle spielt.

Die Grundlage von Gedächtnis

Der Hippocampus mit einigen Nervenzellen und ihren Fortsätzen (Abbildung: Cajal, 1911)
Von verschiedenen Seiten versuchen die 17 Arbeitsgruppen aus Freiburg und Basel im Rahmen des SFB 780, sich der Funktionsweise von Synapsen im Gehirnnetzwerk zu nähern: Zum Beispiel, indem sie im Computer neuronale Netzwerke simulieren. Oder indem sie mithilfe von modernen bildgebenden Verfahren die genaue Struktur von Synapsen sichtbar machen. Die Arbeitsgruppe von Peter Jonas untersucht Synapsen im Hippocampus der Ratte und der Maus. Die Forscher interessiert zum Beispiel, was auf der präsynaptischen Seite einer neuronalen Kontaktstelle passiert, also dort, wo die Membranbläschen mit den Neurotransmittern freigesetzt werden.
Unter Verwendung neu entwickelter Methoden gelang es Jonas und seinen Mitarbeitern, die elektrophysiologischen Prozesse an der präsynaptischen Seite des so genannten Moosfaser-Boutons, eines bestimmten Synapsentyps im Hippocampus, zum ersten Mal zu messen. Die Forscher stellten dabei fest, dass die Synapse zwar einige Ähnlichkeiten zu den bisher untersuchten aufweist. Aber auch einige Unterschiede, die wahrscheinlich auf die besondere Funktion des hippocampalen Netzwerks zurückzuführen sind.

Zum einen sind die elektrischen Eigenschaften der Synapse nicht stereotyp sondern verändern sich nach wiederholter Reizung. Außerdem weist sie einen wesentlich größeren Pool von Neurotransmitter-Bläschen auf als andere Synapsentypen. „Diese Befunde deuten darauf hin, dass die Moosfaser-Boutons einer sehr ausgeprägten Dynamik unterliegen“, sagt Jonas. „Das hat wahrscheinlich mit den Prozessen der Plastizität zu tun, die typisch für die Zellen des Hippocampus sind und die Grundlage von Gedächtnis darstellen könnten.“

Mentale Prozesse und pathologische Störungen

Ein Interneuron (rechts) und zwei seiner Kommunikationspartner im Hippocampus (Abbildung: AG Prof. Peter Jonas)
Ein weiteres Projekt der Arbeitsgruppe Jonas widmet sich den so genannten Interneuronen des Hippocampus. Diese Zellen heißen so, weil sie in einer Zellschicht verbleiben und ihre Fortsätze nicht in andere Zellschichten aussenden. Im Gegensatz zu anderen Hippocampus-Zellen schütten sie einen inhibierenden Neurotransmitter aus. Ihre Aktivität wirkt auf andere Zellen daher hemmend und sie bilden ein wichtiges Gegengewicht im Netzwerk. Jonas und seine Mitarbeiter fanden heraus, dass eine Subpopulation der Interneurone Information extrem schnell verarbeitet. Diese Eigenschaft könnte mentale Prozesse ermöglichen, die eine hohe zeitliche Synchronisation von Aktivität zwischen ganzen Neuronenverbänden erfordern, wie zum Beispiel die visuelle Wahrnehmung.
In einem Zeitraum von zwölf Jahren wollen die Forschergruppen um Jonas im Rahmen des SFB 780 beleuchten, wie das Netzwerk Gehirn funktioniert. Dabei erhoffen sie sich nicht nur, das Denken und das Gedächtnis ein Stück weit besser zu verstehen. Auch Patienten, die an Krankheiten wie Epilepsie oder Depression leiden, könnten durch die Erkenntnisse profitieren. Die Übertragung an Synapsen spielt für viele pathologische Störungen eine zentrale Rolle.

mn – 30.04.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Weitere Informationen zum Beitrag:
Prof. Dr. Peter Jonas
Physiologisches Institut, Abteilung I
Hermann-Herder-Str. 7
79104 Freiburg
Tel.: 0761/203-5151
Fax: 0761/2035204
E-Mail: Peter.Jonas@physiologie.uni-freiburg.de
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/was-an-synapsen-passiert