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Mobile Calciumkanäle justieren synaptische Aktivität im Gehirn

Bei der Übertragung von Informationen spielt Calcium in Nervenzellen eine wichtige Rolle. Die Öffnung von Calciumkanälen initiiert die Freisetzung von Neurotransmittern und somit die Kommunikation synaptisch verbundener Nervenzellen. Dr. Martin Heine ist in seiner Forschungsgruppe am Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) in Magdeburg zusammen mit Kollegen aus Bordeaux der Frage nachgegangen, wie diese Kanäle in der präsynaptischen Membran organisiert sind. Die im Fachmagazin Neuron erschienene Studie zeigt, dass die meisten Calciumkanäle – anders als aufgrund vorangegangener Studien erwartet – im Bereich der präsynaptischen Membran sehr mobil sind und ihre Positionen ständig ändern.

 

Die Forscher des LIN schließen daraus, dass das molekulare Zusammenspiel innerhalb der Synapsen sehr dynamisch ist. Experimentelle Befunde und computergestützte Simulationen, die an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg durchgeführt wurden, legen zudem nahe, dass diese Mobilität wesentlich zu einer konstanten synaptischen Signalübertragung beiträgt. „Die Calciumkanäle müssen an der Stelle sein, wo sie gebraucht werden. Ihre Anpassungsfähigkeit ist sehr wichtig, damit die Synapsen funktionieren. Schließlich erfolgt die Signalübertragung innerhalb von Millisekunden“, erklärt Studienleiter Martin Heine.

 

Methodisch haben die Wissenschaftler in dieser Arbeit mit der Lokalisations- und der STED-Mikroskopie gleich zwei moderne Verfahren angewendet, deren Entwicklung im vergangenen Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Durch diese Verfahren können die Kanäle in Strukturen mit deutlich weniger als einem Mikrometer Durchmesser beobachtet werden. Elektrophysiologische und elektronenmikroskopische Untersuchungen komplementieren die Ergebnisse. „Unsere Vorgehensweise lässt Aussagen über Calciumkanäle in Synapsen zu, die über die auf biochemischen, zellanatomischen und physiologischen Befunden beruhenden Erkenntnisse hinausgehen und diese zum Teil in einem anderen Licht erscheinen lassen“, so Heine.

 

Die Studie gibt neue Einblicke in das Schaltverhalten neuronaler Synapsen, die die Basisstruktur neuronaler Kommunikation darstellen. Sie bietet zudem Anknüpfungspunkte für Untersuchungen neurologischer Krankheiten wie Migräne, Depression oder Epilepsie.

 

Zukünftig wollen die Forscher mit Hilfe der Lokalisationsmikroskopie und elektrophysiologischen Methoden näher untersuchen, inwieweit die Dynamik der Calciumkanäle Gegenstand von Regulationsmechanismen ist, die beispielsweise bei Lernprozessen oder auch unter pathologischen Umständen die synaptische Übertragung im Gehirn beeinflussen.

 

 

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Romy Schneider, Eric Hosy, Johannes Kohl, Julia Klueva, Daniel Choquet, Ulrich Thomas, Andreas Voigt, Martin Heine: Mobility of Calcium Channels in the Presynaptic Membrane, Neuron 2015, doi: 10.1016/j.neuron.2015.03.050 Leibniz-Institut für Neurobiologie www.cell.com/neuron/abstract/S0896-6273%2815%2900274-3