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Neuronen kommunizieren mittels schneller elektrischer Signale, die die Freisetzung von Neurotransmittern, den chemischen Botenstoffen des Gehirns, regulieren. Elektrische Signale werden über ein Neuron übertragen und führen dann an der Schnittstelle mit einem anderen Neuron, der Synapse, zur Freisetzung von mit Neurotransmittern gefüllten Tröpfchen, die Informationen an das nächste Neuron weitergeben. Diese Art der interneuronalen Kommunikation nennt man evozierte Neurotransmission.
Die Synapse kann jedoch auch in Abwesenheit eines elektrischen Impulses Neurotransmittertröpfchen freisetzen. Lange Zeit wurden diese Miniatur-Freisetzungen (oder Minis) als «Hintergrundrauschen» betrachtet, erklärte Brian McCabe, Direktor des Motor Neuroscience Laboratory und Professor am Institut für Neurowissenschaften der EPFL.
Mehrere Studien haben nun gezeigt, dass diese Minis eine wichtige Funktion haben. Im Jahr 2014 wiesen Brian McCabe und sein Team beispielsweise die Bedeutung der Minis für die Synapsenentwicklung nach. «Entsprächen die Neuronen im Gehirn einem Netzwerk von Computern, wären die evozierten Freisetzungen Datenpakete, über die die Maschinen Informationen austauschen, während Minis Pings wären – kurze elektronische Signale, die feststellen, ob eine Verbindung zwischen zwei Computern besteht», sagte McCabe. «Minis sind die Pings, mit denen die Neuronen sicherstellen, dass sie verbunden sind.»
Um herauszufinden, ob Minis im reifen Nervensystem eine Rolle spielen, untersuchten Soumya Banerjee, ein Postdoktorand in McCabes Team, und seine Kolleginnen eine Reihe von Neuronen, die die Bewegung von Fruchtfliegen (Drosophila) kontrollieren. Die Forschenden fanden heraus, dass die Synapsen mit zunehmendem Alter der Insekten in kleinere Fragmente zerfielen. (Ein ähnliches Phänomen tritt bei alternden Säugetieren, einschliesslich des Menschen, auf). Beim Zusammenbrechen der Nervenverbindungen waren sowohl die evozierte als auch die Miniatur-Neurotransmission beeinträchtigt und die Fruchtfliegen zeigten motorische Probleme, wie z. B. eine verminderte Fähigkeit, die Wände einer Plastikflasche zu erklimmen.
Adulte motorische Endigungen (grün) und Muskeln (rot) von Fruchtfliegen degenerieren mit zunehmendem Alter. © Laboratory of Neural Genetics and Disease / EPFL
Adulte neuromuskuläre synaptische Terminals von Drosophila. Motorische Neuronen (blau), synaptische Boutons (rot) und Neurotransmitter-Freisetzungsstellen (grün). © Labor für neuronale Genetik und Krankheit / EPFL
Als nächstes untersuchte das Forschendenteam die Auswirkungen der Stimulation oder Hemmung der evozierten und Miniatur-Neurotransmission. Waren beide Arten der Neurotransmission blockiert, alterten die Synapsen vorzeitig, was darauf hindeutet, dass bei der Alterung oder bei altersbedingten neurologischen Erkrankungen Veränderungen der Neurotransmission auftreten, bevor die Synapsen zusammenbrechen. Laut Brian McCabe stellen diese Ergebnisse eine lang gehegte Annahme der Neurowissenschaft auf den Kopf. «Lange Zeit dachte man, dass eine Verschlechterung der synaptischen Struktur zu einer funktionellen Veränderung der Synapse führt, aber nun haben wir entdeckt, dass es genau umgekehrt ist», berichtete er.
Die Forschenden fanden heraus, dass die alleinige Stimulation der evozierten Neurotransmission keinen Effekt auf alternde Synapsen hat. Die Erhöhung der Häufigkeit von Minis erhält jedoch die Synapsen und die motorischen Fähigkeiten von Fruchtfliegen mittleren Alters auf einem Niveau, das mit dem von jungen Drosophila vergleichbar ist. «Die motorischen Fähigkeiten nehmen bei allen Tieren, auch beim Menschen, mit dem Alter ab, deshalb war es eine wunderbare Überraschung zu sehen, dass wir das ändern können», betonte Brian McCabe.
Modell der synaptischen NMJ-Strukturveränderungen als Reaktion auf die Abnahme von Miniaturereignissen während des Alterns. Miniaturereignisse nehmen während des Alterungsprozesses ab. Als Reaktion darauf verringert sich die Synapsengrösse und zerfällt in kleinere Einheiten. Eine Verringerung der Miniaturereignisse kann diesen Bouton-Fragmentierungsprozess bei jungen Tieren beschleunigen, während eine Zunahme der Ereignisse die Synapsenfragmentierung verzögern und die motorischen Fähigkeiten bei alternden Tieren verbessern kann. © Laboratory of Neural Genetics and Disease
Diese Erkenntnisse, die in Nature Communications veröffentlicht wurden, könnten wichtige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben: Minis wurden in allen bisher untersuchten Synapsentypen beobachtet und Anomalien, die die Miniatur-Neurotransmission betreffen, wurden mit einer Reihe von Neuroentwicklungsstörungen bei Kindern in Verbindung gebracht. Herauszufinden, wie eine Verringerung der Miniatur-Neurotransmission die Struktur der Synapsen verändert und wie sich diese Veränderung wiederum auf das Verhalten auswirkt, könnte helfen, neurodegenerative und andere Erkrankungen des Gehirns besser zu verstehen.