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Humboldt-Universitaet zu Berlin - Collaborative Research Center for Theoretical Biology

Kurzzeitdynamik der Moosfaser-Synapse und Phasenpräzession im Hippocampus

Das Zentralnervensystem (ZNS) ist kein statisches Organ, sondern ändert sich permanent in Abhängigkeit von Aktivität und Erfahrung. In diesem Zusammenhang wird der Hippocampus als „Modul für explizites Gedächtnis“ angesehen [1]. So sind Patienten mit bilateralen Schädigungen des Hippocampus nicht in der Lage neue Fakten und Ereignisse zu lernen.

Charakteristisch für den Hippocampus sind so genannte „Platzzellen“, die eine erhöhte Feuerrate aufweisen, wenn sich ein Tier an einem bestimmten Ort der Umgebung aufhält [2, 3]. Darüber hinaus können während explorativen Verhaltens Oszillationen des extrazellulär gemessenen Feldpotentials mit Frequenzen im Bereich von 4 – 12 Hz (Theta) beobachtet werden [4]. Interessanterweise konnte kürzlich gezeigt werden, dass diese beiden Phänomene zeitlich abhängig voneinander auftreten, d.h. Platzzellen feuern gekoppelt an eine bestimmte Phase der Theta-Oszillationen. Während sich das Tier durch das Ortsfeld einer Zelle bewegt, treten aufeinander folgende Aktionspotentiale der Platzzelle zu immer früheren Phasen der Theta-Oszillation auf. Dieses Phänomen wird als Phasenpräzession bezeichnet [5]. Es wird angenommen, dass Phasenpräzession eine tragende Rolle beim Abspeichern von Sequenzen von Ereignissen spielt, wie zum Beispiel das Erreichen aufeinander folgender Orte bei räumlicher Navigation [6]. Trotz dieser Bedeutung für die Verarbeitung und Speicherung von Information im Hippocampus ist der grundlegende Mechanismus für die Entstehung von Phasenpräzession ungeklärt. Bisherige Modelle zu Mechanismen des Phasenpräzession widersprechen sich zum Teil [5, 6, 7, 8, 9] und sind inkonsistent mit neueren Daten [10].

Der Hippocampus wird in zwei korrespondierende Submodule unterteilt: die Area Dentata und Cornu Ammonis (CA). Körnerzellen der Area Dentata gehen synaptische Verbindungen sowohl mit Interneuronen als auch mit Pyramidenzellen in Area 3 des Cornu Ammonis (CA3) ein. Diese Synapsen werden als Moosfaser-Synapsen bezeichnet. Aus unseren Voruntersuchungen – theoretischen Modellen, numerischen Simulationen und in vitro-Experimenten – hat sich ergeben, dass die besonderen Eigenschaften der Moosfaser-Synapse wie ihre synaptische Stärke, synaptische Fazilitation und strategische Position im Hippocampus für die Erzeugung von Phasenpräzession im Cornu Ammonis verantwortlich sein könnte. Diese Hypothese soll zunächst an Hirnschnitten des Hippocampus von Ratten getestet werden. Hierzu sind intrazelluläre (Patch-Clamp) Ableitungen von CA3-Pyramidenzellen geplant, deren Membranpotential dem Theta-Rhythmus entsprechend periodisch moduliert wird. Gleichzeitig werden Moosfaser-EPSPs zunächst stimuliert und in einem nächsten Arbeitsschritt synaptisch evozier. Parallel dazu sollen anhand von Modellen und numerischen Simulationen der Moosfaser-Synapse und eines CA3-Neurons kritische experimentelle Parameter wie zum Beispiel der Stimulationsphase, die Amplitude der Theta-Oszillation oder das Membranpotential hippocampaler Zellen getestet werden. Darüber hinaus soll die Robustheit von Phasenpräzession gegenüber Rauschen untersucht werden. Kooperationen mit experimentellen Partnern, die Versuche in vivo vornehmen können, sind vorgesehen (Livia de Hoz, Gyorgy Buzsaki). Eine Etablierung der in vivo-Einzelzell-Ableitung mit Hilfe von Tetroden an frei beweglichen Ratten ist geplant.

[1] Milner et al., 1998
[2] O’Keefe & Dostreovsky, 1971
[3] Nakazawa et al., 2004
[4] Buzsaki, 2002
[5] O’Keefe & Recce, 1993
[6] Skaggs et al., 1996
[7] Tsodyks et al., 1996
[8] Mehta et al., 2002
[9] Harris et al., 2002
[10] Huxter et al., 2003

Beschreibung der ersten Periode
Beschreibung der aktuellen Periode