Synapsen: Wie das Gehirn im Alter fit bleibt
Wie bleiben unsere neuronalen Verbindungen im Alter aktiv? Göttinger Forscher untersuchen diese Frage mit einem mathematischen Modell.
(Bild: Natasha Connell / Unsplash)
Alles im Körper altert, auch Synapsen. Wesentlicher Bestandteil der neuronalen Verknüpfungen, über die Neuronen mit anderen Zellen in Verbindung stehen, sind die Vesikel: Sie sind es, die die Signale transportieren und Neurotransmitter in den synaptischen Spalt geben, indem sie mit der Membran verschmelzen (Exozytose). Die verfügt wiederrum über einen praktischen Recycling-Mechanismus und bildet neue Vesikel (Endozytose) – ein solcher Zyklus dauert nur etwa 60 Sekunden. Das funktioniert nicht unendlich lange, denn die beteiligten Proteine kommen in die Jahre und zwar umso schneller, je aktiver eine Synapse war.
Mathematisches Modell praktisch bestätigt
Wie erhalten die Synapsen neue Vesikel, welche Stellen regulieren den Prozess? Der Frage sind Wissenschaftlerer des Göttinger Exzellenzclusters Multiscale Bioimaging (MExC) und des Sonderforschungsbereichs SFB1286 der Universitätsmedizin Göttingen und des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation nachgegangen. Das Ergebnis: Einzelne Synapsen werden je nach Bedarf mit neuen Vesikeln versorgt.
Ein mathematisches Modell des synaptischen Vesikel-Zyklus zeigt, dass der Lebenszyklus synaptischer Proteine und die synaptische Aktivität einschließlich der Vesikelneubildung sich gegenseitig bedingen. Je aktiver eine Synapse ist, umso mehr ist sie auf Nachschub angewiesen und kompensiert somit ihren Alterungsprozess. Die Studie ist im Journal "Cell Reports" erschienen.
Überprüfung mittels Massenspektrometrie
Mittels einer Fluoreszenz-Bildgebung und der Sekundärionen-Massenspektrometrie wurden diese theoretischen Erkenntnisse überprüft. Die Verfahren zeigen, wie lange Proteine aktiv bleiben und machen die synaptische Aktivität in einzelnen Synapsen untersuchbar. Die aus dem Modell hervorgegangene Hypothese konnte bestätigt werden: Je aktiver eine Präsynapse ist, desto mehr neu synthetisierte Proteine ließen sich bei ihr nachweisen. Allerdings heben chronische Stimulationen oder Depressionen diesen Zusammenhang auf.
"Die Kombination aus mathematischer Modellierung, Fluoreszenzmikroskopie und Sekundärionen-Massenspektrometrie erlaubte es uns zu zeigen, dass Synapsen in Abhängigkeit von ihrer Aktivität mit neu gebildeten Vesikeln versorgt werden", sagt Prof. Dr. Silvio Rizzoli, einer der Forschungsleiter und Direktor des Institut für Neuro- und Sinnesphysiologie der Universitätsmedizin Göttingen. "Die zugrunde liegenden regulatorischen Mechanismen und die beteiligten molekularen Komponenten sind allerdings nicht bekannt und sollten im Fokus weiterer Studien stehen." Sehr wahrscheinlich sei, dass eine Störung dieser Regulation schwerwiegende Folgen für die einzelne Zelle und das Nervensystem haben würde. (bsc)
