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Institut für Neurowissenschaften und Medizin
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Struktur von Synapsen

Leiter der Arbeitsgruppe: Prof. Dr. Joachim Lübke

Die Arbeitsgruppe "Struktur von Synapsen" beschäftigt sich mit strukturellen und funktionellen Aspekten synaptischer Transmission und Plastizität auf der Ebene von Synapsen und deren Zielstrukturen im sich entwickelnden, adulten und pathologisch veränderten Gehirn.
Synapsen sind die Schlüsselelemente der Signalübertragung im Gehirn. Mittels dreidimensionaler Rekonstruktionen soll die subzelluläre Struktur einzelner Synapsen dargestellt, quantifiziert und miteinander verglichen werden; diese Strukturmodelle sollen helfen, die Funktionsweise unterschiedlicher zentraler Synapsen zu erklären und zu modellieren.

Grundlegende Erkenntnisse zur Struktur von Synapsen haben mittlerweile zunehmend einen sehr aktuellen Bezug hinsichtlich der Zunahme neurologischer und neurodegenerativer Erkrankungen weltweit, wie beispielsweise Morbus Alzheimer und Morbus Parkinson. Diese Erkrankungen lassen sich letztlich auf massive strukturelle Veränderungen an Synapsen zurückführen und erklären damit die Dysfunktion bzw. den Ausfall dieser Strukturen. Den "krankhaften" Veränderungen an Synapsen wird das Jülicher Team in Zukunft verstärkt seine Aufmerksamkeit widmen.

AG_Synapsen_01

Der sogenannte Moosfaserbouton im Hippokampus ist eine Synapse, die bei Lern- und Gedächtnisprozessen und Langzeitpotenzierung eine wichtige Rolle spielt. Um deren Funktion im Detail zu verstehen wurde mittels computergestützter Rekonstruktionen aus seriellen Ultradünnschnitten und elektronenmikroskopischen digitalen Bildserien ein dreidimensionales, quantitatives Modell ihrer Struktur erstellt (siehe Film 1).

 Kortikale Synapsen sind im Gegensatz zum Moosfaserbouton perfekt auf schnelle Veränderungen von sensorischen Informationen angepasst und zeichnen sich durch ihre starke Kurzzeitplastitzität (z.B. unterschiedliches "Paired pulse"-Verhalten) aus. Der direkte Vergleich beider Synapsen zeigt, neben einigen strukturellen Gemeinsamkeiten, deutliche Unterschiede in der Größe, Dichte und Verteilung von Transmitterfreisetzungsstellen und in der Organisation der Pools synaptischer Vesikel. Damit lassen sich die deutlichen funktionellen Unterschiede während synaptischer Transmission und Plastizität an beiden Synapsen zum Teil erklären (siehe Film 2).

Ein weiterer wichtiger Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe ist die Darstellung und Quantifizierung von Neurotransmitterrezeptoren und deren Untereinheiten mittels "Freeze Fracture Replica" (Gefrierbruch) Präparationen und hochsensitiven Postimmunogold-Markierungen. Hier soll neben der Darstellung dieser Rezeptoren auch deren mögliche Kolokalisation und individuelle Verteilung an synaptischen Kontakten untersucht werden, um sogenannte individuelle "Receptor fingerprints" zu erstellen (siehe Bilder 1-3).

Legenden

Film 1
Dreidimensionale Rekonstruktion eines hippokampalen Moosfaserboutons. Filmsequenz: Postsynaptischer Zieldendrit, blau; aktive Zonen (Transmitter-freisetzungsstellen), rot; puncta adhaerentia (Adhäsionskomplexe), rosa; Pool synaptischer Vesikel, grün; Mitochondrien, weiß; Umriss des Boutons, transparent gelb.

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Film 2
Dreidimensionale Rekonstruktion von zwei Synapsen, die auf einem Dendriten-segment einer kortikalen Schicht 5 Pyramidenzelle terminieren. Filmsequenz: Postsynaptischer Zieldendrit, blau; aktive Zonen, rot; Pool synaptischer Vesikel, grün; Mitochondrien, weiß; Umrisse der Boutons, transparent gelb.

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Bild 1
Elektronenmikroskopische Aufnahme des Somas eines kortikalen Schicht 5 Neurons mit umgebenen Neuropil bestehend aus Dendriten, Synapsen und Gliafortsätzen. "Freeze Fracture Replica" Präparation.

Synapsen 02

Bild 2
Dichte und Verteilung von AMPA-Rezeptoren (schwarze Goldpartikel, dargestellt durch einen monoklonalen panAMPA-Antikörper mittels Postimmunogold-Verfahren, "Freeze Fracture Replica" Präparat) an einer postsynaptischen Dichte (rote Kontur) einer Synapse der kortikalen Schicht 5. Die Dichte und Verteilung dieser Rezeptoren variiert stark zwischen individuellen Synapsen und trägt somit zur Erklärung der unterschiedlichen Stärke und Effizienz synaptischer Transmission exzitatorischer Verbindungen von Schicht 5 Neuronen bei.

Synapsen 03

Bild 3
Dichte und Verteilung der NR1-Untereinheit des NMDA-Rezeptors an einer postsynaptischen Dichte (rote Kontur) einer Synapse der kortikalen Schicht 5. Die Ausprägung und Stärke synaptischer Plastizität im Neocortex wird entscheidend durch die Dichte und Verteilung dieses Rezeptors und seiner Untereinheiten reguliert.

Synapsen 04


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