Humboldt-Universität zu Berlin - Institut für Biologie

Arbeitsgruppe Optobiologie - Marina Mikhaylova

Neuronale Synapsen stellen die Grundeinheit für neuronale Kommunikation und Informationsspeicherung im Gehirn dar. Exzitatorische Synapsen von Pyramidalneuronen befinden sich häufig auf dendritischen Dornen, die als Basis der synaptischen Integration gelten. Dendritische Dornen sind jedoch nicht vollständig autonom: Ihre Stärke und Stabilität werden streng reguliert und die dynamischen Eigenschaften benachbarter dendritischer Synapsen werden auch durch molekulare und elektrische Signalübertragung in dendritischen Kompartimenten bestimmt. So begünstigt die Potenzierung eines dendritischen Dornes die Potenzierung seines Nachbarn.

In dieser Hinsicht sind Dendriten  perfekte Kompartimente die lokale Signalspeicherung und -entwicklung ermöglichen. Synapsen, die sich in verschiedenen neuronalen Kompartimenten befinden hingegen (wie z. B. in apikalen und basalen Dendriten), unterscheiden sich in ihrer Stabilität und ihren funktionellen Eigenschaften und können unterschiedliche molekulare Zusammensetzungen aufweisen. Eine derart komplexe Organisation des dendritischen Baums und seiner Untereinheiten ermöglicht verschiedene Grade an Autonomie. Als Reaktion auf synaptische Aktivität können so beispielsweise Membranrezeptoren in bestimmten dendritischen Kompartimenten zurückgehalten, inseriert oder entfernt werden. Außerdem kann lokale Translation dendritischer mRNA die Verfügbarkeit plastizitäts-relevanter Proteine rasch erhöhen. Gleichzeitig ermöglicht dies eine sehr effiziente Signalintegration, die zu einer globalen Veränderung neuronaler Aktivität führen und die Transkription verschiedenster Gene beeinflussen kann.

 

Das übergeordnete Ziel unserer Gruppe ist es, zu verstehen, was ein dendritisches Kompartiment als "Plastizitätseinheit" definiert. Unsere Forschungsfragen behandeln verschiedene Ebenen der dendritischen Kompartimentierung, darunter Plastizität und Stabilität auf Ebene einer einzelnen Synapse, biochemische Kommunikation zwischen benachbarten Dornen und den molekularen Mechanismen, die zur Asymmetrie der Dendriten von Pyramidalneuronen führen.

Wir wenden biochemische, biophysikalische und molekularbiologische Methoden sowie fortschrittliche Fluoreszenz-Mikroskopie wie Single Molecule Imaging, hochauflösende Nanoskopie (STED), TIRF, 2-Photonen- und konfokale Spinning-Disc-Mikroskopie an, um Fragen zu behandeln, die sich mit i) synaptischer Plastizität und Stabilität; ii) molekularer, struktureller und funktioneller Vielfalt dendritischer Dornen; iii) biochemischer Kommunikation zwischen benachbarten Dornen sowie iv) mRNA-Targeting und lokaler Proteintranslation, -verarbeitung, -recycling und -degradation bei der Regulierung synaptischer Signale befassen. Von besonderem Interesse sind dabei die Rolle des Mikrotubulus- und Aktinzytoskeletts sowie Transportmechanismen und der Signalübertragung, die den Transport und die Positionierung aktiver Organellen steuern.