Vielen Dank Ihnen, Dr. Blatt, für die einführenden Worte.
Für mich ist es eine große Ehre, vor rund 600 der besten jungen Nachwuchswissenschaftler der Welt sprechen zu können,
von denen, so hoffe ich, vielleicht einige an einem sehr spannenden Thema interessiert sind,
nämlich zu verstehen, wie unser Gehirn funktioniert.
Roger Tsien hat Ihnen eben einige interessante Theorien und Fakten über die sehr langzeitigen Formen von Plastizität vermittelt,
von denen man sogar annimmt oder die dazu geeignet sind, Informationen im Gehirn zu speichern,
um Mechanismen des Lernens und des Gedächtnisses zu vermitteln.
Ich möchte die andere Seite beleuchten, nämlich die sehr kurzzeitigen Formen der Plastizität.
Aber bevor ich damit beginne, möchte ich Ihnen zunächst einige Folien darüber zeigen,
wie sich unsere Kenntnisse über die Vorgänge im Gehirn in den letzten 200 Jahren entwickelt haben.
Und das beginnt natürlich mit den berühmten Experimenten
der italienischen Wissenschaftler Walter und Galvani.
Galvani, der uns gelehrt hat bzw. in spektakulären Experimenten gezeigt hat,
dass der Froschmuskel durch eine Stromstoßstimulation des Nervs zum Kontrahieren angeregt werden kann.
Damit wurde nachgewiesen, dass es in unserem Körper in der Tat so etwas wie Elektrizität, elektrische Signalwege gibt.
Hundert Jahre später zeigten uns die wunderbaren Zeichnungen des spanischen Neuroanatomisten Ramón y Cajal,
dass unser Gehirn aus diesem filigranen Neuronennetzwerk besteht.
Roger Tsien hat bereits darauf Bezug genommen.
Und heute wissen wir, dass unser Gehirn ein Netzwerk aus rund 10^12 solcher über Synapsen miteinander verbundenen Neuronen ist.
Durchschnittlich empfängt jedes einzelne Neuron rund 1000 bis 10.000 Inputsignale von anderen Neuronen.
Was ist eigentlich ein Neuron, diese merkwürdige Zelle, diese merkwürdige Struktur?
Es ist nichts anderes als eine relativ normale Zelle, die allerdings mit einigen speziellen Strukturen ausgestattet ist.
Selbst eine normale Zelle verfügt über bestimmte Prozesse, die als Mikrovilli bezeichnet werden.
Im Neuron werden solche Prozesse in dem Sinne verstärkt, dass ein Neuron über zwei Arten von Protrusionen verfügt,
von denen einige als Dendriten bezeichnet werden, die die Empfängerorgane des Neurons sind.
Und ein spezielles Protrusion ist das Axon, eine röhrenartige Struktur,
die sehr lang sein kann und die den Nervenimpuls auf Zellen überträgt, mit denen dieses spezielle Neuron verbunden ist.
Jedes Neuron erhält also Input-Signale von Tausenden anderer Neurone, in erster Linie an seinen Dendriten.
Diese Signale, die von sich entwickelnden Zellen geliefert werden, können sowohl erregend als auch hemmend wirken.
Ein einzelnes Neuron integriert oder summiert diese Signale.
Immer dann, wenn das elektrische Potenzial im Zellsoma infolge all dieser auf eine bestimmte Zelle einwirkenden Einflüsse
einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, wird ein Aktionspotenzial oder ein Nervenimpuls am so genannten Axonhügel erzeugt.
Und dieses Nervenaktionspotenzial wandert dann das Axon herunter zu den Nervenenden, die andere Neuronen anregen oder hemmen.
Es gibt einen netten Animationsfilm von Dr. Hasan von der Science Bridge in Heidelberg,
der einen Eindruck darüber vermittelt bzw. verdeutlicht,
wie dieses Feuerwerk von Axonpotenzialen in Teilen unseres Gehirns ablaufen könnte.
Sie sehen hier, dass ein Signalinput ein Aktionspotenzial abfeuert, das sich verbreitet und weiter erregt.
Und das setzt sich dann weiter fort.
Der Film ist nicht in jedem Detail korrekt, aber das ändert nichts daran, dass man, wie ich finde,
eine grundsätzliche Vorstellung erhält.
Wenn man die Konnektivität zwischen Neuronen untersuchen möchte, gilt das Interesse der Synapse,
die hier dieser kleine Bouton ist,
wo ein vorausgehendes Neuron Signale … oder ein sendendes Neuron Signale auf ein empfangendes Neuron überträgt.
Und Kenntnisse darüber, was an der Synapse passiert,
wurden zunächst tatsächlich nicht an der Synapse zwischen Nervenzellen gesammelt,
sondern das begann bei der neuromuskulären Verbindung – einer Synapse, die eine Verbindung zwischen einem Neuron
und der zugrunde liegenden Muskelzelle herstellt.
Wenn das Nervensystem die Kontraktion eines bestimmten Muskels erreichen will,
sendet es über den motorischen Nerv ein Aktionspotenzial an die entsprechenden Muskelzellen.
Dort verzweigen sich die Nervenenden in mehrere Enden und dort passiert dann exakt das Gleiche wie zwischen zwei Neuronen,
nämlich, dass das präsynaptische Ende einen Transmitter freisetzt, der das zugrunde liegende Neuron erregt.
Unsere Kenntnisse über diese Prozesse stammen größtenteils von Experimenten,
die Sir Bernard Katz und Del Castillo zur Untersuchung der Synapse durchgeführt haben.
Und ich zeige Ihnen hier eine ihrer frühen Registrierungen des Signals,
das in einer Muskelfaser erfasst werden kann
– wie hier unten gezeigt wird –
wenn der diesen Muskel integrierende Nerv stimuliert wird.
Sie sehen hier zwei Phasen, zuerst ein sogenanntes exzitatorisches postsynaptisches Potenzial,
das den Effekt des vom Nerv freigesetzten Transmitters repräsentiert.
Und beim Überschreiten des Schwellenwertes wird genauso wie in einer Nervenzelle ein Aktionspotenzial
in der Muskelzelle ausgelöst, das dann die Kontraktion initiiert.
Katz und Del Castillo beschäftigten sich detailliert mit dem, was hier vor oder unmittelbar während der Ruheperioden geschieht.
Und sie entdeckten, dass beim Aufdrehen der Leistung ihres Verstärkers all diese spontan auftretenden,
kleinen Signalpunkte erschienen.
Das waren wirklich sehr, sehr, sehr kleine Signale.
Üblicherweise würden die meisten Forscher, die die Arbeit mit empfindlichen Verstärkern bei hoher Leistung gewohnt sind,
solche Signale verwerfen, da es eine Vielzahl von Störquellen und Einflüssen durch andere Instrumente in der Nähe gibt.
Katz und Del Castillo machten das aber nicht und untersuchten tatsächlich diese kleinen Signale, weil ihnen aufgefallen war,
dass diese kleinen Signalpunkte nur zu sehen waren,
wenn die Signalerfassung in der direkten Nähe der neuromuskulären Verbindung erfolgte, wo der Nerv ist.
Erfolgte die Signalerfassung nur einige wenige Millimeter daneben auf demselben Muskel,
beobachteten sie diese charakteristischen Signalpunkte nicht.
In einiger Entfernung zum Muskel war auch die Wellenform des globalen Signals anders.
Dieses anfängliche postsynaptische Potenzial fehlte.
Was sie sahen, war einfach die elektrische Erregbarkeit, die sich in der Muskelfaser ausbreitet.
Sie stellten außerdem fest, dass die Amplitude dieses exzitatorischen postsynaptischen Signals
sehr stark von der Kalziumkonzentration im Medium abhängt.
Wenn sie die Kalziumkonzentration reduzierten, wurde dieses Ausgangssignal kleiner,
sodass schließlich das Aktionspotenzial versagte.
Zurück blieb ein kleines Signal.
Und wenn sie dieses extrem reduzierten, beobachteten sie,
dass der stimulierende Nervenimpuls manchmal ein Signal wie dieses auslöste
und es ihm manchmal nicht gelang, ein Signal auszulösen.
Solche Ergebnisse führten in Kombination mit den elektronenmikroskopischen Daten
aus dem De Robertis Labor in Argentinien über an den synaptischen Enden bestehende, kleine Strukturen,
die heute als synaptische Vesikel bezeichnet werden, zu der Erkenntnis, dass an dem Nerv, an der Synapse das Folgende passiert:
Der Nervenimpuls verursacht einen Kalziumeinstrom in die Nervenendigung.
Deshalb ist dieser Prozess so stark von der extrazellulären Kalziumkonzentration abhängig.
Das Kalzium verursacht die Fusion dieser Vesikel, die dann ihren Neurotransmitterinhalt freisetzen.
Und natürlich führt ein Aktionspotenzial mit Kalziumeinstrom zu einer simultanen Freisetzung vieler solcher Vesikel.
Die kleinen Signalpunkte, die bei der hochauflösenden Erfassung beobachtet worden waren,
wurden als Spontanfusion solcher Vesikel mit der Plasmamembran interpretiert.
Der Neurotransmitter diffundiert postsynaptisch zur Postsynapse und öffnet Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran.
Wir haben hier also eine Art von Transformation eines elektrischen Signals in ein chemisches Signal,
das von einem präsynaptischen Ende freigesetzt wird
und in der postsynaptischen Membran in ein elektrisches Signal zurückübersetzt wird.
Nun zur synaptischen Plastizität.
Der Begriff „Plastizität“ beschreibt die Beobachtung, dass die synaptische Erregung,
bei der es sich um ein im postsynaptischen Neuron durch ein präsynaptisches Aktionspotenzial erzeugtes Signal handelt,
keine feststehende Größenordnung wie bei einem Computer aufweist,
sondern sich, abhängig vom Gebrauch der Synapse, kontinuierlich verändert.
Neurowissenschaftler sind davon überzeugt, dass diese Plastizität ein sehr entscheidender Aspekt
in der neuronalen Signalverarbeitung des Nervensystems ist und dass tatsächlich insbesondere die langfristigen Veränderungen
der neuronalen Konnektivität Lernen und Gedächtnis zugrunde liegen.
Und das war, so wie ich es verstanden habe, auch das Thema von Roger Tsien.
Die Kurzzeitplastizität ist demgegenüber meiner Meinung nach genauso wichtig,
weil sie grundsätzliche informationsverarbeitende Aufgaben wie Adaptation, Filterung und andere vermittelt.
Ich werde in einer meiner nächsten Folien auf solche Aufgaben eingehen.
Interessant ist auch, dass verschiedene Synapsentypen eine eigene Persönlichkeit in Bezug auf diese Kurzzeitplastizität zeigen.
Wenn man Synapsen, etwa Kletterfasern, wiederholt stimuliert, zeigen einige Synapsen eine Art von Depression in dem Sinne,
dass die erste Reaktion nach einer Ruhephase sehr groß ist und danach kleinere Reaktionen folgen.
Bei anderen Synapsen ist exakt das Gegenteil zu beobachten, nämlich zunächst eine kleinere Reaktion,
gefolgt von zunehmend größeren Reaktionen.
Und wieder andere Synapsen weisen komplexere Verhaltensweisen auf.
Eine bestimme Synapse verfügt also durchschnittlich über eine gewisse Form der Plastizität.
Hier ist ein Beispiel dafür, wozu eine Kurzzeitdepression in einem Netzwerk gut sein kann,
in dem viele solcher Neuronen zusammenkommen, um eine Aufgabe zu erfüllen.
Ich erwähnte bereits, dass eine solche Depression gut dafür ist, die Adaptation an sensorische Stimuli zu ermöglichen.
Das ist gut für die so genannte Verstärkungsregelung, die die Amin-Aktivität in bestimmten Hirnregionen reguliert.
Man kann Netzwerke mit Synapsen bauen, an denen eine rhythmisch auftretende Depression erfolgt.
Es kann eine zeitliche Filterung veranlasst werden.
Aber auch komplexere Aufgaben des zentralen Nervensystems,
wie die Schalllokalisation können in neuronalen Netzen mit Hilfe einer Kurzzeitdepression bewältigt werden.
Und selbst das so genannte Orientierungstuning,
ein im primären visuellen Kortex beobachtbares individuelles System mit bestimmten Zellen,
die in erster Linie auf Kontraste in einer bestimmten Orientierung reagieren …
Man kann das simulieren und eine Unempfindlichkeit gegenüber…eine Invarianz gegenüber Differenzen im absoluten Kontrast erreichen,
indem man eine Kurzzeitdepression in das Netzwerk induziert.
Auch ein weiterer, heute diskutierter Aspekt ist eine Erscheinungsform der Kurzzeitplastizität,
nämlich das Umschalten zwischen verschiedenen Gehirnzuständen.
Wir wissen, dass unser Gehirn innerhalb von Sekunden zwischen unterschiedlichen Zuständen hin und her schalten kann,
beispielsweise Ruhezustand, Stresszustand, Erregungszustand, Fokussierung, Aufmerksamkeit.
Mit dem EEG lassen sich verschiedene Schlafzustände beobachten,
bei denen das EEG-Muster innerhalb von Sekunden zwischen den gut bekannten REM-Schlafphasen und anderen Phasen wechselt.
Solche schnellen Wechsel können natürlich nicht auf Veränderungen in der Langzeitplastizität zurückgeführt werden,
weil diese Zeit braucht, um sich zu entwickeln, und trainiert werden muss usw.
Es ist bekannt, dass solche Gehirnzustände durch zahlreiche diffus projektierende Transmittersysteme gesteuert werden,
wie dopaminerge, adrenerge, cholinerge, peptiderge Systeme usw.
Da geht es grundsätzlich um all die Arten von Inputmechanismen, die Dr. Kobilka gestern in seinem Vortrag erläutert hat.
Und man weiß auch, dass solche diffus projizierten Transmittersysteme Kurzzeitänderungen,
Kurzzeitplastizität in ihren Zielgebieten [verursachen].
Meine Schlussfolgerung lautet deshalb, dass die Untersuchung dieser Kurzzeitplastizität,
ihrer dynamischen Art und ihres Mechanismus einige sehr bedeutende Aspekte der Gehirnfunktion aufklären könnte,
die ebenso wichtig sein dürften wie die Langzeitveränderungen.
Obwohl diese kurzzeitigen Plastizitätstypen bereits in der sehr frühen Arbeit über die neuromuskuläre Verbindung
von Katz und Miledi beschrieben wurden, gibt es immer noch … gibt es meiner Meinung nach immer noch viele Dinge,
die wir darüber nicht wissen, und bis heute verstehen wir viele wesentliche Merkmale nicht.
Was geschieht, wenn eine Synapse ihre Stärke, ihre kurzzeitige Plastizität verändert?
Das sind natürlich viele Dinge, denn das ist ein mehrstufiger Prozess.
Es können Veränderungen an der Wellenform des Aktionspotenzials und im assoziierten Kalziumeinstrom auftreten.
Es kann postsynaptische Veränderungen geben.
Inhibitorische, so genannte Autorezeptoren können für eine Rückkopplung sorgen,
sodass der Transmitter auf die Freisetzungsbereitschaft der restlichen Vesikel zurückwirkt.
Dann entsteht ein Problem des Vesikelrecyclings und des Vesikelverbrauchs.
Grundsätzlich glaube ich, dass es sich hier um Prozesse handelt, die molekular im Wesentlichen Änderungen
auf der Ebene von Second Messenger-Systemen, Änderungen bei der Phosphorylierung
und möglicherweise zytoskeletale Reorganisationen aufgrund des gesamten Transports verursachen.
Ich möchte mich für den Rests meines Vortrags im Wesentlichen auf zwei Aspekte konzentrieren,
nämlich auf die durch die Vesikeldepletion vermittelte Depression und auf die Änderungen im … die molekularen Änderungen
im Freisetzungsapparat, die die Bereitschaft der freisetzungsbereiten Vesikel modulieren,
in Reaktion auf einen Kalziumstimulus tatsächlich zu fusionieren.
Wir untersuchen diesen Prozess seit einigen Jahren an einer sehr speziellen Synapse,
der so genannten Heldsche-Calyx-Synapse, einer Synapse in der Hörbahn.
Das hier ist ein Schnitt des Stammhirns mit der angelegten Hörbahn.
Die Hörhärchen stellen im ventralen Bereich des Nukleus cochlearis eine erste Synapse her.
Das Axon des empfangenden Neurons überquert die Mittellinie und stellt einen Kontakt zu einer anderen Zelle
im so genannten mittleren MNTB her, dem mittleren Nukleus des trapezförmigen Körpers.
Und diese beiden Synapsen hier haben diese sehr spezielle Form einer Kylix oder einer schalenförmigen,
präsynaptischen Endigung, die einen kompakten postsynaptischen Zellkörper umgibt.
Die spezielle Synapsenform hängt wahrscheinlich mit der Tatsache zusammen,
dass die von beiden Ohren kommenden Signale für die Schalllokalisierung sehr exakt verarbeitet werden müssen,
damit an dem Punkt, an dem die Informationen an der lateralen und superioren Hirnolive
von einem Ohr auf die Informationen vom anderen Ohr treffen, sehr feine Intensitäts- und Zeitunterschiede erfasst werden können.
Wir haben hier eine Synapse mit einer sehr speziellen Geometrie,
die allerdings im Sinne der Elektrophysiologie den Vorteil bietet, dass die beiden prä- und postsynaptischen Kompartimente
mit Spannung versorgt werden und simultan sehr genauen elektrophysiologischen Messungen unterzogen werden können.
Und dies wurde vor inzwischen mehr als 20 Jahren in Bert Sakmanns Labor von Gerard Borst und Bert Sakmann herausgefunden.
Diese Synapse also haben wir untersucht und ihre Plastizität erforscht.
Nur um Ihnen zu zeigen, was uns möglich ist,
seit wir die prä- und postsynaptischen Kompartimente mit Spannung versorgen können und entsprechende Ströme erfassen können:
Wir können in der ionischen Umgebung innerhalb der beiden Kompartimente den Stromfluss exakt messen.
Wir können das Ende mit einem Fluoreszenzindikator aufladen.
Theis und ich machen das seit über fünfzehn Jahren,
wir arbeiten dazu hauptsächlich mit den Fluoreszenzfarbstoffen von Roger Tsien.
Wir können mit dieser Synapse viele Dinge machen, die mit anderen Synapsen nicht möglich sind,
weil Synapsen normalerweise sehr kleine, boutonartige Strukturen sind, die einfach zu klein sind,
um sie mit elektrophysiologischen Elektroden anzugehen.
Die meisten Calyxe dieser Art weisen eine markante synaptische Depression auf.
Das hier ist die Reaktion auf einen 100-Hz-Reiz, nachdem die Synapse eine Erholungspause hatte.
Wir sehen jetzt einen sehr großen ersten Erregungsstrom, einen inverten Strom,
der durch das Neurotransmitter-Glutamat induziert wird, das von der präsynaptischen Endigung freigesetzt wird.
Ein zweiter Reiz, 10 ms später, ergibt eine kleine Reaktion.
Und schließlich ist die Reaktion nach vier oder fünf Stimuli nur noch sehr gering.
Die Synapse arbeitet bei sehr hohen Spike-Raten.
Der Hörnerv ist mit 10 bis 50 Aktionspotenzialen pro Sekunde sogar im vollständigen Ruhezustand äußerst aktiv.
Diese Synapse, zumindest die hier dargestellte,
würde also in einem Dauerzustand der partiellen Depression arbeiten, obwohl das der physiologische Zustand der Synapse ist.
Aber wenn wir uns das genau anschauen … das ist die Durchschnittsreaktion.
Wenn wir uns das Muster der kurzzeitigen Plastizität detailliert anschauen, erkennen wir,
dass einige Zellen – hier nur eine dargestellte Zelle – diese sehr starke Depression aufweisen.
Das wird hier für drei Frequenzen gezeigt: 200 Hz, 100 Hz und 50 Hz.
In derselben Darstellung können wir neben der Zelle mit diesem Verhalten möglicherweise eine andere Zelle finden,
die exakt das Gegenteil zeigt, nämlich eine erste Fazilitation.
Die zweite Reaktion ist größer als die erste, gefolgt von einer Depression.
Nun, dies ist in dem Sinne zu verstehen … oder ich sollte anmerken,
dass diese Zelle im Vergleich zu dieser Zelle einen sehr viel geringeren ersten EPSC (Excitatory Postsynaptic Current) aufweist,
nämlich nur rund 1,1 Nanoamp, wobei das hier bei 2,5 Nanoamp liegt.
Das Muster ist also so zu verstehen, dass in dieser Zelle die Freisetzung wahrscheinlich so hoch ist,
dass bereits während der ersten Reaktion ein guter Bruchteil der verfügbaren Vesikel freigesetzt wurde,
sodass nachfolgende Reaktionen geringer ausfielen.
In dieser Zelle war wahrscheinlich die Freisetzung während des ersten Reizes geringer, sodass die erfassten Daten offen legen,
dass die Erregungsleistung des Nervs bei der zweiten und dritten Stimulierung tatsächlich stärker ist
und die Freisetzungswahrscheinlichkeit für die restlichen Vesikel zunimmt.
Diese biphasische Verhaltensweise hat zunächst einen Anstieg in der Freisetzungswahrscheinlichkeit zur Folge,
die nur beobachtet wird, wenn die anfängliche Freisetzungswahrscheinlichkeit sehr gering ist.
Aber dann gibt es schließlich mehr und mehr Stimuli und die Synapse wird ihre gesamten Vesikel verbrauchen
und danach in die Depression verfallen.
Okay, diese Überlegung deutet bereits darauf hin, dass das so genannte Paired-Pulse-Verhältnis,
das Verhältnis des zweiten zum ersten Stimulus, ein Maßstab ist,
den viele Physiologen zur ersten Charakterisierung des kurzzeitigen Plastizitätsverhaltens der Synapse verwenden.
Dieser Parameter wird auch als eine Art Indikator darüber verwendet, wie groß die anfängliche Freisetzungswahrscheinlichkeit ist.
Wenn man solche Erfassungen an 31 Synapsen vornimmt und dieses so genannte Paired-Pulse-Verhältnis
gegenüber der Amplitude des ersten EPSC darstellt, erkennt man, dass eine systematische Beziehung besteht:
Je größer die ersten EPSCs sind, umso kleiner fällt das Paired-Pulse-Verhältnis aus.
Das stimmt mit vielen Beobachtungen überein, die an anderen Synapsen gemacht wurden.
Okay, aber noch immer haben wir es hier mit Synapsen zu tun, die vermutlich die gleiche Aufgabe erfüllen,
morphologisch alle gleich sind und keine offensichtlichen Unterschiede aufweisen.
Und dann stellt man sich doch die Frage, was diese Synapsen so unterschiedlich macht?
Warum hat diese dann eine wesentlich geringe Freisetzungswahrscheinlichkeit und eine großes PPR (Paired-Pulse-Verhältnis)
und warum ist bei dieser genau das Gegenteil der Fall?
Die Hypothese ist, dass freisetzungsbereite Vesikel tatsächlich in zwei Zuständen vorkommen können:
In einem Zustand mit geringer Freisetzungswahrscheinlichkeit, wobei typischerweise rund 5 bis 10% der Vesikel
durch ein einzelnes Aktionspotenzial freigesetzt würden,
und im so genannten Super-Prime-Zustand mit hoher Freisetzungswahrscheinlichkeit.
Der Begriff „Super Prime“ wurde in verschiedenen Kontexten verwendet, wobei verschiedene molekulare Mechanismen vermutet wurden.
Warum ein Super-Prime-Vesikel eine höhere Freisetzungswahrscheinlichkeit aufweist als ein anderes, werde ich später erläutern.
Wahrscheinlich hat das mit der Fusionsenergiebarriere zu tun, die sich durch biochemische modulatorische Einflüsse verändert.
Okay, das steht hier in diesem letzten Satz hier,
nämlich dass wahrscheinlich die modulatorischen Hintergrundeinflüsse
durch diffus projektierende Transmittersysteme Diversität verursachen.
Welche Signalmechanismen können dem zugrunde liegen?
Der markanteste, der wahrscheinlich damit zu tun hat, sind die diacylglycerol-vermittelten Signalwege,
eine Variante der G-Protein-vermittelten Signalwege, die Dr. Kobilka gestern erläutert hat.
Dabei interagiert ein Rezeptor mit einem G-Protein, das G-Protein aktiviert Phospholipase C,
die Inositolphospholipide werden aufspalten, was Second-Messenger-Diacylglycerol und IP3 erzeugt, das dann Kalzium freisetzt.
Es wurde nachgewiesen, dass dieser Diacylglyerol-Zweig des Signalweges
eine spezielle Funktion beim Priming von synaptischen Vesikeln sowie in der Freisetzung von synaptischen Vesikeln übernimmt.
Konkret gibt es ein Protein mit der Bezeichnung MON-13, das eine so genannte C1-Domäne hat,
eine Domäne, die auf ein Diacylglycerol reagiert.
Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass dieses MON-13.1 am Primingprozess
und wahrscheinlich auch an der Regulierung der Energiebarriere für die Freisetzung beteiligt ist.
Natürlich können wir den Gehirnzustand nicht durch Stimulation …
durch diffuse Projektion von Neuronen im Hirnschnittpräparat verändern.
Ich sollte erwähnen,
dass all diese Experimente mit konventionellen elektrophysiologischen Techniken an Hirnschnitten von Ratten durchgeführt werden.
Aber wir können sozusagen die Aktion dieses diacylglycerol-vermittelten Signalweges nachahmen,
indem wir Phorbol-Ester anwenden, eine Nachahmung von Diacylglycerol.
Und bei Anwendung dieser Substanz kann man beobachten, dass alle EPSCs durchschnittlich zwei bis fünf Mal stärker sind
als unter Kontrollbedingungen.
Und wenn wir dann erneut das Paired-Pulse-Verhältnis gegenüber den ersten EPSCs abbilden, sehen wir,
dass diese neuen Datenpunkte, also diese gefüllten Symbole,
sehr gut dem Trend der Kontrolldatenpunkte folgen
und dann sieht man diese mehr oder weniger nahtlose Fortsetzung mit einer Überlappung zwischen einigen Punkten
unter Phorbol-Ester und einigen Punkten unter Kontrollbedingungen.
Das scheint mir zu sagen bzw. reizt mich zumindest zu der Hypothese,
dass Phorbol-Ester dieses Gleichgewicht oder dieses dynamische Gleichgewicht zwischen geprimten und super-geprimten Vesikeln
zur super-geprimten Seite hin verlagert.
Bei näherer Betrachtung dieser Eigenschaft erkennt man, dass Super-Priming eine Eigenschaft von ausgeruhten Synapsen ist.
Bei einer 200 Hz starken Stimulierung konvergieren die EPSCs beim gleichen Steady-State-Wert.
Das wird hier an diesen Daten ersichtlich.
Hier ist die erste Reaktion einer relativ großen Zelle oder einer Zelle mit großem EPSC unter dem Einfluss von Phorbol-Ester.
Dieser Wert stammt von derselben Zelle ohne Phorbol-Ester.
Das hier ist eine Zelle mit einer relativ kleinen Amplitude, aber unter Phorbol-Ester,
und das ist der entsprechende erste Wert für dieselbe Zelle ohne Phorbol-Ester.
Die ersten Reaktionen weichen also sehr stark voneinander ab.
Dennoch laufen die zweite, dritte, vierte, fünfte Reaktion auf derselben Ebene zusammen.
Und dieselbe Ebene heißt nicht 0, aber ziemlich ähnlich.
Und in diesem Sinne scheint es so zu sein, dass das Super-Priming oder diese Differenzierung zwischen Synapsen nur auftritt …
sie braucht Zeit … sie also nur auftritt, wenn die …Synapsen Zeit hatten, ihr Super-Priming zu entwickeln.
Die Interpretation dieses Ergebnisses ist die, die ich gerade bereits erwähnt habe:
Wenn die Synapse Zeit genug hat, einen Super-Prime-Zustand zu entwickeln, ergibt sich diese Differenz.
Wenn allerdings während eines solchen Ablaufs ein konstanter Vesikelstrom freigesetzt und neu rekrutiert wird…ich meine,
dieser Dauerzustand ist eine Art von Steady-State zwischen Vesikelverbrauch und Vesikellieferung.
Die Hypothese lautet also:
Wenn es der Zelle nicht ermöglicht wird, in den Super-Prime-Zustand zu gehen, verhalten sich all diese Zellen gleich.
Dies kann man natürlich in einem simplen kinetischen Modell darstellen, wobei man annimmt,
dass die freizusetzenden Vesikel zunächst einige molekulare Schritte durchlaufen müssen,
die sie an die Membran andocken und in einen Zustand versetzen, der eine Freisetzung ermöglicht.
Und wenn genug Zeit ist, können sie sogar weiter zum Super-Prime-Zustand heranreifen.
Der erste Priming-Zustand wird sich schnell entwickeln, der zweite wäre langsam.
Das erklärt also dieses Verhalten.
Es ist auch eine quantitative Erklärung dessen,
was man bei der Darstellung des Steady-State-Wertes der Freisetzung gegenüber der Stimulationsfrequenz beobachtet.
Hier sehen Sie zwei Kurven, eine unter Kontrollbedingungen, eine mit Phorbol-Ester.
Sie sind auf den jeweiligen ersten Wert normalisiert.
Aber man sieht, dass die unterbrochenen Kurven
– die Prognosen dieses sehr einfachen Modells sind –
den Versuchspunkten sehr schön folgen.
Dies gilt auch für das untere Ende der Beziehung, die Steady-State-Freisetzung und Frequenz verbindet.
Und ausgehend von diesem Modell kann man dann die relevanten, interessantesten Parameter extrahieren.
Die Daten sind vor allem mit der Theorie kompatibel,
dass der normal-geprimte Zustand eine Freisetzungswahrscheinlichkeit von in diesem Fall 0,06 hat,
also eine relativ geringe Freisetzungswahrscheinlichkeit,
während der Super-Prime-Zustand eine Wahrscheinlichkeit von 0,42 aufweist.
Die so genannte Priming-Rate ist schnell, vier pro Sekunde.
Das bedeutet, dass in rund 250 mms ein neues Vesikel auf eine Freisetzungsstelle geladen wird,
während die Rate für diesen zweiten Super-Priming-Schritt im Kontrollfall sehr gering ist
und durch die Einwirkung des Phorbol-Esters verbessert wird.
Die von mir beschriebenen Ergebnisse gelten nicht nur für die Heldsche Calyx.
Verschiedene Aspekte der Resultate gelten für eine Vielzahl anderer Synapsen.
Die Heterogenität zwischen Synapsen der gleichen Art wurde auch für die neuromuskuläre Verbindung in der Maus beschrieben.
Die Prototypsynapse, der Hippocampus zwischen CA3- und CA1-Neuronen, weist, wie vor einigen Jahren nachgewiesen,
eine sehr ähnliche Art der Heterogenität auf, wie es von Hanse und Gustafsson in einer Reihe von Aufsätzen
und darüber hinaus in weiteren kürzlich erschienenen Papieren beschrieben wurde.
Dieses Phänomen, das ich als den Kollaps der Heterogenität bei höherer Frequenz bezeichne,
wurde auch von Hanse und Gustafsson beschrieben und von Walter und Smith im Kontext der Informationsverarbeitung
in neuronalen Netzen erörtert.
Und diese langsame Umstellung vom Prime- auf den Super-Prime-Status war tatsächlich auch Bestandteil eines Modells,
das Stefan Hallermann für zerebellare Moosfasersynapsen vorgeschlagen hat.
Obwohl ich denke, dass die Wellenform des Aktionspotenzials und der Kalziumeinstrom die stärksten modulatorischen Einflüsse
auf die Kurzzeitplastizität haben, weil Kalziumströme bekanntermaßen in der Lage sind, das zu zeigen,
was als Fazilitation bezeichnet wird, auch Inaktivierung, regulieren sie sich selbst durch G-Protein-Signale und so weiter.
Veränderungen im Kalziumeinstrom verursachen in der Folge auch riesige Veränderungen in der Freisetzung,
weil Kalziumeinstrom und Freisetzung sehr stark zusammenhängen.
Aber ich denke,
dass die Experimente und die Heldsche Calyx
starke Argumente für diese andere Form der Modulation kurzzeitiger Plastizität liefern,
die nicht auf den Kalziumeinstrom zurückzuführen ist.
Wir können sagen, dass dies eine Heldsche Calyx ist,
weil der Einfluss des Phorbol-Esters auf den Kalziumeinstrom
vor mehreren Jahren sehr intensiv von Ralf Schneggenburgers Labor untersucht wurde,
wenn auch diese früheren Papiere gezeigt haben, dass es keine bedeutende Veränderungen in der Pool-Größe gibt.
Das von mir beschriebene Phänomen scheint also tatsächlich eine relative neuartige Form der Modulationsveränderung
in der Energiebarriere für die Freisetzung eines Vesikels zu sein.
Die Ähnlichkeit zwischen der Modulation durch Phorbol-Ester und der Heterogenität an den Synapsen im Ruhezustand lässt vermuten,
dass die Heterogenität tatsächlich aus verschiedenen Abstufungen der Hintergrundmodulation hervorgeht.
Und ich denke, dass dieses Konzept von zwei Zuständen freisetzungsbereiter Vesikel
und dem Einfluss von Super-Priming dazu beitragen wird,
einige wichtige Phänomene der Signalverarbeitung in unserem Gehirn zu verstehen.
Das hier ist selbstverständlich nicht meine Arbeit.
Vielmehr wurden alle präsentierten Daten von Holger Taschenberger zusammengetragen,
der bis vor kurzem ein Postdoc-Wissenschaftler in meinem Labor war.
Mein Beitrag als Emeritus besteht lediglich in einer Datenanalyse und in der Modellbildung.
Viele der Ideen und Hintergrunddaten wurden von Takeshi Sakaba, einem langjährigen Kollegen,
der heute an der Doshisha Hochschule in Kyoto arbeitet, von Ralf Schneggenburger, der Professor am APFL in Lausanne ist,
und von Suk-Ho Lee, einem Kollegen von der Seoul National University, zur Verfügung gestellt.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.