Diskussion

Variationen der Konzentration von Transmittern stellen einen relativ neuen Mechanismus der Veränderung synaptischer Übertragung dar. Dieser könnte an einer Reihe von unterschiedlichen Synapsen sowohl unter pathologischen Bedingungen ((7,(9) als auch im Rahmen physiologischer synaptischer Plastizität ((11,(8) eine Rolle spielen. Der zelluläre Mechanismus dieses Effektes ist aber in vielen Systemen noch unbekannt. Im Rahmen meiner Dissertation habe ich diesen an GABAergen Synapsen der CA3-Region des Hippocampus untersucht.

Im Computermodell habe ich geprüft, unter welchen Bedingungen ein Zusammenhang zwischen präsynaptischer Transmitterkonzentration und Frequenz der Vesikelfreisetzung reproduziert werden kann. Dabei haben Simulationen gezeigt, dass ein solcher Effekt vermutlich nicht ausschliesslich auf die Freisetzungsrate aus dem RRP, sondern auch auf den Nachschub in diese Population wirkt. Dieses überraschende Ergebnis ergibt sich daraus, dass in jedem Gleichgewichtsmodell der Transmitterdynamik, in dem der Fluss zwischen den Populationen durch das Produkt aus der Anzahl von Vesikeln in der Population und der Übergangsrate in die nächste Population gegeben ist, Veränderungen der langsamsten Rate limitierend für den Gesamtzyklus sind.

Im Modell ergibt sich nach Erhöhung der Freisetzungsrate um den Faktor 10 bereits eine deutliche Verringerung der Größe des RRP. Dies scheint Arbeiten zu widersprechen, die zeigen, dass insbesondere inhibitorische Synapsen relativ resistent gegenüber Kurzzeit-Depression sind ((10). Darüberhinaus können synaptische Vesikel unter Ruhebedingungen mit einer sehr geringen Frequenz, nach Stimulation dagegen mit einer um mehrere Größenordnungen höheren Frequenz freigesetzt werde; dies ist im Modell mit isolierten Änderungen der Freisetzungsrate nicht zu erreichen. Falls jedoch die Übergangsraten zwischen Vesikelpopulationen gekoppelt sind (und sich damit gleichsinnig verändern können), kann der Fluss von Vesikeln zwischen den Populationen stark variieren, ohne dass sich die Größen dieser Populationen deutlich ändern. Eine solche Kopplung ist mechanistisch z.B. dadurch erklärbar, dass sowohl die Freisetzungsrate als auch der Nachschub in den RRP von Veränderungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration [Seite 11↓]abhängt ((24,(28). Im Modell lässt sich eine solche Kopplung auch dadurch erreichen, dass eine beschränkte Kapazität des RRP angenommen wird ((25); mechanistisch könnte z.B. die Anzahl möglicher „Andockstellen“ im RRP begrenzt sein.

Ein im Computermodell simulierter Mechanismus für den Zusammenhang zwischen Transmitterkonzentration und Vesikelfreisetzung ist, dass freigesetzter Transmitter auf ionotrope Autorezeptoren zurückwirkt. In einer Reihe von Systemen konnte gezeigt werden, dass präsynaptische ionotrope Rezeptoren die Transmitterfreisetzung beeinflussen (für einen review s. ((14)). Präsynaptische ionotrope GABA Rezeptoren sind bisher im Kleinhirn ((17) und in der Retina ((12,(15) nachgewiesen worden. Für ein Vorliegen an glutamatergen ((23) und GABAergen ((27) Synapsen im Hippocampus gab es bisher nur indirekte Hinweise. In patch-clamp Untersuchungen von CA3 Pyramidenzellen habe ich Hinweise darauf gefunden, dass präsynaptische GABAA Rezeptoren an GABAergen Terminalen in der Region CA3 des Hippocampus exprimiert sind und eine negative Rückkopplung auf die Freisetzung von Transmitter ausüben.

Eine solche negative Rückkopplung wäre vereinbar mit einer Hyperpolarisation der präsynaptischen Membran nach Öffnung GABAA Rezeptor-assoziierter Chloridkanäle. Aktivierung präsynaptischer GABAA Rezeptoren führt im Kleinhirn zu einer Depolarisierung der präsynaptischen Membran ((17), in der Retina zu einer Faszilitierung der Freisetzung GABAerger Vesikel ((12). Die Richtung der Rückwirkung scheint also in verschiedenen Systemen unterschiedlich zu sein. Mögliche Erklärungen dafür könnten ein variables Membranpotential ((5) und ein variabler Chloridgradient sein. Unterschiedliche Richtungen der präsynaptischen Rückkopplung könnten auch erklären, dass eine erhöhte präsynaptische GABA-Konzentration in kultivierten Hippocampusschnitten zu einer Erhöhung ((6), in akuten Hirnschnitten dagegen zu einer Verminderung ((16,(3) der mIPSC-Frequenz führt. Funktionell kann es sich also sowohl um eine positive als auch um eine negative Rückkopplung handeln.

Zur Überprüfung der elektrophysiologischen Ergebnisse habe ich Fluoreszenzmessungen mit FM 1-43 durchgeführt. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass durch Verwendung von konfokaler ((13,(18) oder Zwei-Photonen Mikroskopie ((22) bildgebende Untersuchungen der aktionspotentialabhängigen Vesikelfreisetzung in akuten Hirnschnitten möglich ist. Die Messung von spontaner Freisetzung (während Blockade von Aktionspotentialen) erfordert relativ lange Messzeiten (deutlich > 1h), während derer horizontale und insbesondere vertikale Drift minimiert werden müssen. Ich konnte zeigen, dass diese Erfordernisse tatsächlich erfüllt werden können. Eine direkte Messung spontaner synaptischer Freisetzung stellt ein geeignetes Mass für die Stärke synaptischer Übertragung in einer Vielzahl von experimentellen Paradigmen dar; insbesondere auch für die Untersuchung humaner Resektate von Patienten mit Temporallappenepilepsie könnte diese neue Methode von Interesse sein. Durch Erhöhung der extrazellulären K+-Konzentration wurde dabei die Frequenz von Vesikelfusionen erhöht und damit die Detektierbarkeit von Vesikelfusionen verbessert. Eine solche Erhöhung der K+-Konzentration scheint dabei nicht nur die Freisetzungsrate zu erhöhen, sondern auch den Nachschub von Vesikeln aus der Reservepopulation, da nur in diesem Fall in den Computersimulationen ein persistierender Effekt auf die Frequenz von Vesikelfusionen besteht. Dies könnte mechanistisch dadurch erklärt werden, dass eine Erhöhung der K+-Konzentration zu einer Depolarisierung der präsynaptischen Membran und dadurch zu Ca2+-Einstrom führt, was sowohl die Freisetzungsrate als auch den Nachschub in den RRP erhöht (siehe die oben erwähnte Kopplung zwischen diesen Raten).

Die bildgebenden Untersuchungen konnten das elektrophysiologisch gemessene Resultat qualitativ bestätigen. Obwohl beide Methoden auf dem gleichen zugrundeliegenden Mechanismus beruhen, nämlich der Fusion synaptischer Vesikel und deren nachfolgender Freisetzung von Transmitter, ist ein direkter Vergleich aus zwei Gründen problematisch. Erstens setzen fusionierte Vesikel nicht die Gesamtmenge des gebundenen Farbstoffs frei ((20), so dass [Seite 12↓]die Fluoreszenzabnahme zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Fusionsrate führen kann. Zweitens stammen elektrophysiologisch gemessene mIPSCs von einer unbekannten Anzahl von Synapsen, die auf die untersuchte Zelle konvergieren.

Antiepileptika wie Vigabatrin oder auch Valproat (hier neben anderen Wirkungen) erhöhen die präsynaptische GABA-Konzentration. Klinisch ist aber bekannt, dass beide Pharmaka gelegentlich unwirksam sind (Pharmakoresistenz) oder sogar zu einer Verschlechterung der Anfallshäufigkeit und –dauer führen (paradoxe Wirkung). Die vorliegenden Ergebnisse könnten eine Erklärung für diese Phänomene darstellen: Eine Erhöhung der GABA-Konzentration kann gegenläufige Effekte auf die Vesikelfüllung und die Freisetzungswahrscheinlichkeit synaptischer Vesikel ausüben. Je nachdem, welcher dieser beiden Parameter für die Ausbildung epileptischer Aktivität wichtiger ist, können damit sowohl antiepileptische als auch epileptogene Effekte auftreten.

Die bisher dargestellten Ergebnisse haben sich auf die präsynaptische Kontrolle der synaptischen Inhibition konzentriert. Die Erregbarkeit von Neuronen wird jedoch nicht nur durch inhibitorische Synapsen vermindert, sondern auch durch spezifische intrinische Leitfähigkeiten der postsynaptischen Zelle, die das Auftreten von Aktionspotentialen verhindern. Eine wesentliche Rolle spielen dabei hyperpolarisierende Auswärtswärtsströme, die häufig durch Kaliumströme vermittelt sind. In einer weiteren Arbeit, die in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Richard Miles entstanden ist, habe ich mich mit der Rolle von Kaliumströmen für die neuronale Aktivität von Pyramidenzellen in der CA1-Region des Hippocampus beschäftigt ((4). Ein wesentliches Ergebnis war, dass Aktionspotentiale in diesen Zellen nur dann mit einer hohen zeitlichen Präzision ausgelöst werden, wenn eine ausreichende Aktivierung von Kaliumströmen das Zeitfenster für das Auftreten von Aktionspotentialen festlegt. Wenn dagegen die im Soma integrierten synaptischen Eingänge eine zu geringe Amplitude haben (< 5 mV), kann zwar ebenfalls ein Aktionspotential ausgelöst werden, jedoch mit einer sehr geringen zeitlichen Präzision. Epileptische Aktivität ist häufig durch eine pathologische Übersynchronisierung von Zellverbänden gekennzeichnet. Daher kann spekuliert werden, dass eine geringe Präzision von Aktionspotentialen ein Mechanismus ist, um das Auftreten pathologischer Rhythmen zu verhindern.


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08.06.2005