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Signalübertragung in Nervenzellen Ein Gedanke ist nur so stark wie die Größe seiner Synapsen

Redakteur: Christian Lüttmann

Das Gehirn lässt sich stark vereinfacht mit einer Schaltzentrale vergleichen: Statt Kabel hat es Nervenzellen, die nicht über Steckverbindungen, sondern über Synapsen miteinander in Kontakt stehen. Dass es bei den Synapsen auf die Größe ankommt, haben nun Neurowissenschaftler der Universität Zürich und der ETH Zürich gezeigt. Demnach bestimmt die Größe von Nervenverbindungen die Stärke des Signals.

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Die Synapsengröße bestimmt direkt die Stärke ihrer Signalübertragung – dargestellt als drei Nervenzellverbindungen unterschiedlicher Größe und Helligkeit.
Die Synapsengröße bestimmt direkt die Stärke ihrer Signalübertragung – dargestellt als drei Nervenzellverbindungen unterschiedlicher Größe und Helligkeit.
(Bild: Kristian Herrera und Studienautoren (DOI: 10.1038/s41586-020-03134-2))

Zürich/Schweiz – In den Nervenzellen der Großhirnrinde verarbeitet der Mensch Sinneseindrücke, speichert Erinnerungen ab, gibt Befehle an die Muskeln und plant in die Zukunft. Möglich sind diese Rechenprozesse im Neokortex, da jede Nervenzelle ein hochkomplexer Minicomputer ist, der wiederum mit rund 10.000 anderen Neuronen in Kontakt steht. Kommuniziert wird über spezielle Kontaktstellen: die Synapsen.

Forscher des Teams von Kevan Martin vom Institut für Neuroinformatik der Universität Zürich (UZH) und ETH Zürich haben nun erstmals gezeigt, dass die Größe der Synapsen die Stärke ihrer Informationsübertragung bestimmt. „Größere Synapsen führen zu stärkeren elektrischen Impulsen. Mit dieser Erkenntnis schließen wir eine zentrale Wissenslücke der Neurobiologie“, sagt Martin. „Zudem ist dieses Wissen entscheidend, um zu verstehen, wie Informationen durch die Schaltpläne des Gehirns fließen und wie unser Gehirn funktioniert“.

Signalstärke und Synapsengröße messen

Als erstes charakterisierten die Neurowissenschaftler, wie stark die Synapsenströme zwischen zwei verbundenen Nervenzellen sind. Dazu fertigten sie hauchdünne Schnitte eines Mausgehirns an und führten unter dem Mikroskop feine Glaselektroden in zwei benachbarte Nervenzellen der Großhirnrinde ein. Damit konnten sie eine der beiden Nervenzellen künstlich aktivieren und gleichzeitig die Stärke des resultierenden Synapsenstroms in der anderen Zelle messen. Zudem injizierten sie in beide Neuronen einen Farbstoff, um deren verästelte Zellfortsätze im Lichtmikroskop dreidimensional zu rekonstruieren.

Da Synapsen winzig sind, nutzten die Forscher die hohe Auflösung eines Elektronenmikroskops, um die neuronalen Kontaktpunkte zu erkennen und exakt zu vermessen. Sie markierten in den lichtmikroskopischen Rekonstruktionen alle Berührungspunkte zwischen der Sender-Zelle und der Empfänger-Zelle. Anschließend identifizierten sie sämtliche Synapsen zwischen den beiden Nervenzellen unter dem Elektronenmikroskop.

Besseres Verständnis von Fehlfunktionen

Die Größe der Synapsen korrelierten die Wissenschaftler schließlich mit den zuvor gemessenen Synapsenströmen. „Dabei entdeckten wir, dass die Stärke des Synapsenstroms direkt mit der Größe und Form einer Synapse zusammenhängt“, sagt Hauptautor Gregor Schuhknecht, ehemaliger Doktorand in Martins Team.

Diesen Zusammenhang wollen die Wissenschaftler jetzt nutzen, um anhand der gemessenen Synapsengröße abzuschätzen, wie stark die Informationsübertragung ist. „Damit können zukünftig die Schaltkreise der Großhirnrinde mithilfe von Elektronenmikroskopie exakt kartografiert und deren Informationsfluss am Computer simuliert und interpretiert werden“, erklärt Schuhknecht. Die Arbeiten sollen ein besseres Verständnis ermöglichen, wie das Hirn normalerweise funktioniert, und wie „Verdrahtungsdefekte“ zu neurologischen Entwicklungsstörungen führen können.

Mehr Rechenpower und Speicherplatz als vermutet

Das Team konnte zudem eine weitere zentrale Frage der Neurobiologie klären. Gemäß bisheriger Lehrmeinung schütten Synapsen der Großhirnrinde pro Aktivierungsvorgang lediglich ein einziges Vesikel mit Botenstoffen aus. Mithilfe von mathematischen Analysen haben die Forscher nun gezeigt, dass Synapsen mehrere Vesikel an verschiedenen Stellen gleichzeitig ausschütten können. „Synapsen sind somit komplexer und können ihre Signalstärke dynamischer regulieren als bislang vermutet. Die Rechenleistung und die Speicherkapazität der gesamten Großhirnrinde sind höchstwahrscheinlich wesentlich größer als bisher angenommen“, folgert Studienleiter Martin.

Originalpublikation: Simone Holler, German Köstinger, Kevan A. C. Martin, Gregor F. P. Schuhknecht, Ken J. Stratford: Structure and function of a neocortical synapse, Nature. 13 January 2021. DOI: 10.1038/s41586-020-03134-2

(ID:47088874)