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Signalmodulation und -integration

Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität

Neben den üblichen Verrechnungsleistungen zeigen einige Neuronentypen des zentralen Nervensystems eine erstaunliche Variabilität in der Verarbeitung und Übertragung eingehender Signale. Wird ein solches präsynaptisches Neuron über einen nur wenige Sekunden dauernden Zeitraum kontinuierlich gereizt, erhöht sich dessen Fähigkeit, bei einer späteren Reizung, ein postsynaptisches Neuron zu erregen. Ein solches Verhalten wird als Langzeitpotenzierung (long-term potentiation oder LTP) bezeichnet.

Abb.1
Langzeitpotenzierung

Der erste eingehende Stimulus führt zu einem geringen Nettoeinstrom in die postsynaptische Zelle. Ein ca. 1 h später gegebener Reiz der gleichen Größe führt zu einem wesentlich größeren Nettoeinstrom und damit zu einer höheren Depolarisation.

Die LTP ensteht über eine erhöhte Ausschüttung von Neurotransmittern in Folge der vorangegangenen kontinuierlichen Stimulation des präsynaptischen Neurons. Man nimmt an, dass die erhöhte Neurotransmitter-Sekretion durch hohe Konzentrationen von Ca2+-Ionen in den Axon-Terminalen ausgelöst wird, die bekanntermaßen die Empfindlichkeit der Neurotransmitter-Freisetzung durch ankommende Aktionspotenziale verstärkt. Mit den LTPs wurde ein Mechanismus neuronalen Lernens entdeckt (Bliss und Lomo 1973), wie er bereits 1949 von dem amerikanischen Psychophysiologen Donald Hebb vorausgesagt wurde (Hebb 1949). Die LTP erfüllt drei theoretische Grundbedingungen für das Entstehen neuronaler Netzwerke:

  • Spezifität des Eingangssignals: Nur die Signale LTP auslösender Nervenbahnen, nicht aber benachbarter Eingänge werden verstärkt.
  • Bildung von Assoziationen: Zwei simultan eingehende, LTP auslösende Stimuli können miteinander interagieren. Diese Eigenschaft ist essenziell für Lernmodi wie die klassische Kondition.
  • Mit einer Lebensdauer von Stunden bis zu Monaten ist die LTP persistent genug, um als Grundlage zumindest kurz- und mittelfristiger Gedächtnisleistungen zu dienen.

Wenn es in einer Neuronenpopulation nur LTP geben würde, wären nach einiger Zeit alle Synapsen maximal sensibilisiert, und es gäbe keine Möglichkeit, diesen Zustand wieder zu modulieren. Damit könnten sich Neuronen nicht mehr auf neue Verhältnisse einstellen, das flexible Reagieren auf Reize - die sogenannte synaptische Plastizität - wäre unmöglich. Es ist daher kaum verwunderlich, dass man kurze Zeit nach der LTP einen Mechanismus der Desensibilisierung von Synapsen fand. Dieser wurde als Langzeitdepression (long term depression oder LTD) bezeichnet. Wird ein präsynaptisches Neuron über längere Zeit mit niedriger Frequenz und/oder Amplitude gereizt, führt dies zu einer lange andauernden Herabsetzung der postsynaptischen Potenziale. Diesen Effekt kann auch eine bereits erfolgte LTP auflösen. Aktuelle Befunde zeigen, dass die synaptische Plastizität nicht eine reversible Verstärkung bzw. Steuerung der synaptischen Übertragung darstellt, sondern auch die Neubildung bzw. Reduktion von Synapsen einschließt (Toni 1999, Thompson 2000).

Obwohl die LTP und die LTD wahrscheinlich in vielen Zelltypen des ZNS eine große Rolle spielen, konzentriert sich die Forschung auf das Großhirn (Cortex), Kleinhirn (Cerebellum) und vor allem den Hippocampus. Dies kommt nicht von ungefähr, da man bereits seit den Untersuchungen des französischen Pathologen Pierre Paul Broca (1861) wusste, dass dieser Bereich des Gehirns wichtig für Lern- und Gedächtnisprozesse ist. Nachdem man in den Synapsen zwischen den Schaffer-Kollateralen und den Pyramidalzellen der CA1-Region des Hippocampus äußerst langlebige LPTs fand, die sogar einige Wochen bis Monate vorhielten, lag der Schluss nahe, einen zentralen neuronalen Mechanismus des Lernens und des Gedächtnisses entdeckt zu haben.

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Abb.2
LTP und Hippocampus

Die wichtigsten erregenden Bahnen im Hippocampus, die LTP aufweisen, mit den jeweiligen Zielgebieten und Zelltypen. Erkunden Sie die Animation, indem Sie den Mauspointer auf die Strukturen oder Bezeichnungen lenken!

Literatur

Bliss, T. V.; Lomo, T. (1973): Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. In: J. Physiol.. 232 , 331-356
Hebb, D. O. (1949): The Organization of Behavior. Wiley
Redman, S. (1996): The hippocampus, long-term potentiation and memory. In: Clin. Exp. Pharmacol. Physiol.. 23 , 961-964
Thompson, S. M. (2000): Synaptic plasticity: Building memories to last. In: Curr. Biol.. 10 , R218-R221
Toni, N.; Buchs, P. A.; Nikonenko, I.; Bron, C. R.; Muller, D. (1999): LTP promotes formation of multiple spine synapses between a single axon terminal and a dendrite. In: Nature. 402 , 421-425
Tsien, J. Z. (2000): Linking Hebb's coincidence-detection to memory formation. In: Curr. Opin. Neurobiol.. 10 , 266-273

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