Mit dem neuen molekularen Werkzeug können einzelne Synapsen von Neuronen untersucht werden

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Neuronen sind die primären Zellen des Nervensystems, und die Signale, die zwischen ihnen übertragen werden, sind für alle unsere Handlungen und unsere kognitiven Fähigkeiten verantwortlich. Insbesondere wird angenommen, dass Lernen und Gedächtnis mit einem Prozess verbunden sind, der als “Langzeitpotenzierung” bezeichnet wird, dh der Stärkung der Verbindungen zwischen bestimmten Neuronen durch fortgesetzte Signalübertragung durch “Synapsen” (kleine Lücken zwischen Neuronen). Eine langfristige Potenzierung kann die Verbindung zwischen Neuronen über Synapsen verändern – indem sie ihre Größe und Zusammensetzung ändert. Das Verständnis, wie eine langfristige Potenzierung erfolgt, kann hilfreich sein, um zu klären, wie unser Gehirn neues Wissen lernt und behält. Ein Team von Wissenschaftlern aus Japan hat jetzt bedeutende Fortschritte beim Verständnis der langfristigen Potenzierung erzielt. Lesen Sie weiter, um zu wissen, wie!

Eine Möglichkeit, die Langzeitpotenzierung zu untersuchen, besteht in der Verwendung der “Optogenetik”, dh der Aktivierung von Neuronen und der Überwachung ihrer Reaktionen bei Lichtstimulation. Mit der Optogenetik können Wissenschaftler einzelne Neuronen aktivieren und untersuchen, wie Neuronen in neuronalen Netzwerken funktionieren. Daher ist die Optogenetik ein revolutionärer Fortschritt in der neurowissenschaftlichen Forschung, aber optogenetische Werkzeuge zur Modifizierung einzelner Synapsen (Stacheln) wurden bisher nicht entwickelt. Dies ist ein Problem, da neuronale Signalwege wirbelsäulenspezifische Auswirkungen haben können. Insbesondere das für die Langzeitpotenzierung kritische Protein “CaMKII” wird durch das Molekül “Glutamat” auf wirbelsäulenspezifische Weise aktiviert, aber genau das, was während der Aktivierung an den Synapsen passiert, bleibt ein Rätsel.

Glücklicherweise hat ein Forschungsteam am Nationalen Institut für Physiologische Wissenschaften in Japan unter der Leitung von Dr. Hideji Murakoshi dieses Problem gelöst. Das Team fusionierte CaMKII mit einer bestimmten Domäne eines pflanzlichen Photorezeptors (einem Zelltyp, der auf Licht reagiert). Diese als “LOV2-Jα” bezeichnete Domäne bewirkte, dass CaMKII lichtempfindlich wurde, wonach sie dieses neue photoaktivierbare CaMKII in verschiedenen Arten von isolierten Neuronen und in lebenden Mäusen exprimierten. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

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“Wir waren sehr aufgeregt festzustellen, dass die Aktivierung von CaMKII einige wichtige Effekte auslöst, insbesondere die Rekrutierung von Rezeptoren, die eine Kettenreaktion auslösen, die dann zu einer langfristigen Potenzierung führt”, erklärt Dr. Murakoshi. Der Prozess verändert die dendritischen Stacheln physikalisch und erweitert sie, ein Ergebnis, das die Wissenschaftler auch in ihren Experimenten beobachteten. Wichtig war, dass für diesen Prozess lediglich die CaMKII-Aktivierung erforderlich war – wissenschaftlich ausgedrückt war die CaMKII-Aktivierung ausreichend, um einzelne dendritische Stacheln langfristig zu potenzieren, was zuvor nicht nachgewiesen worden war. Das Team verwendete auch lichtbasierte Bildgebungstechnologie und das lichtaktivierte CaMKII, um zu bestimmen, welche Signalmoleküle während der Langzeitpotenzierung aktiviert werden. Alle diese Ergebnisse ergeben zusammen ein besseres Bild davon, wie eine langfristige Potenzierung auf Synapsenebene erfolgt.

“Zusätzlich zu den wertvollen Informationen, die wir über einen wichtigen neurologischen Prozess gefunden haben, ist unser lichtaktiviertes CaMKII eine wichtige Ergänzung zu bestehenden optogenetischen Werkzeugen”, kommentiert Dr. Murakoshi die Frage nach der Bedeutung ihrer Arbeit. “Wir haben etwas geschaffen, mit dem man neuronale Signale manipulieren und die synaptische Plastizität untersuchen kann – oder die physiologischen Veränderungen, die an einzelnen Synapsen während Ereignissen wie der Gedächtnisbildung auftreten.”

Die Wissenschaftler sind optimistisch, dass die Fähigkeit zur Manipulation von Synapsen mit der weiteren Entwicklung auch wichtige Auswirkungen auf die Behandlung von Gehirnkrankheiten (wie Autismus) hat – eine bemerkenswerte Leistung für die Neurowissenschaften!

Quelle:

Zeitschriftenreferenz:

Shibata, ACE, et al. (2021) Photoaktivierbares CaMKII induziert in einzelnen Synapsen eine synaptische Plastizität. Naturkommunikation. doi.org/10.1038/s41467-021-21025-6.

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