Starke synaptische Verbindungen im Gehirn sind stabiler und bleiben länger erhalten als schwache. Das zeigt eine neue Studie des Zentrums für Molekulare Neurobiologie Hamburg (ZMNH) und des Mannheimer Zentrums für Translationale Neurowissenschaften (MCTN) der Universität Heidelberg. Die Ergebnisse liefern eine mögliche Erklärung dafür, wie das Gehirn trotz ständiger Veränderungen seiner Strukturen langfristig stabile Erinnerungen bewahren kann.

Erinnerungen werden in Netzwerken von Nervenzellen gespeichert, die über Synapsen miteinander verbunden sind. Diese Verbindungsstellen sind hochdynamisch: Sie können ihre Stärke verändern, verschwinden und neu entstehen. Dennoch bleiben Erinnerungen oft ein Leben lang erhalten. Wie das Gehirn diesen Widerspruch zwischen Plastizität und Stabilität auflöst, war bislang weitgehend unklar.

Die Forschungsgruppe um Dr. Cynthia Rais (ZMNH) und Professor Dr. Simon Wiegert (MCTN) hat nun erstmals im lebenden Gehirn nachgewiesen, dass die funktionelle Stärke einer Synapse direkt vorhersagt, wie lange sie bestehen bleibt. Starke synaptische Verbindungen werden bevorzugt erhalten, während schwächere schneller abgebaut werden. Gleichzeitig sorgt die hohe Redundanz vieler Synapsen dafür, dass der Informationsfluss auf der Ebene ganzer dendritischer Äste und einzelner Nervenzellen stabil bleibt.

Die Wissenschaftler verfolgten über zwei Wochen hinweg einzelne dendritische Dornen im Hippocampus wacher Mäuse mittels Optogenetik und Zwei-Photonen-Kalzium-Imaging. Sie stimulierten Neuronen im Bereich CA3 und beobachteten die Reaktionen in CA1-Neuronen bis auf die Ebene einzelner Synapsen. Die Mäuse wurden so an die Versuchsanlage gewöhnt, dass sie während der Bildgebung stillhielten – ohne Anästhesie, die die synaptische Aktivität verändert hätte.

Die Studie zeigt außerdem, dass größere Synapsen nicht nur stabiler, sondern auch funktionell stärker sind. Trotz hoher Variabilität einzelner Verbindungen blieb die Signalübertragung auf höherer Ebene konstant. Dieses Prinzip der Redundanz vergleichen die Forscher mit einer Ameisenstraße: Einzelne Elemente verändern sich ständig, doch das Gesamtsystem bleibt stabil.

Die Erkenntnisse könnten helfen, neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer besser zu verstehen, bei denen ein früher Verlust von Synapsen eine zentrale Rolle spielt. Gleichzeitig werfen sie neue Fragen auf, wie Lernprozesse und Gedächtnisbildung die Stabilität von Synapsen beeinflussen.

Original Paper:

Functional synaptic connectivity shapes spine stability in the hippocampus | Nature Communications

Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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