Schnell feuernde Nervenzellen recyceln schnell

Wissenschaftlern der Charité – Universitätsmedizin Berlin ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Utah gelungen, ultraschnelle Prozesse an den Kommunikationsschnittstellen von Nervenzellen zu dokumentieren. Die Forscher konnten erstmals nachweisen, dass die Verpackungseinheiten, in denen Nervenzellen ihre Botenstoffe freisetzen, innerhalb von wenigen hundertstel Sekunden wiederverwendet werden - viel schneller als bisher angenommen. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Nature* erschienen.

Nervenzellen produzieren elektrische Impulse, sogenannte Aktionspotentiale. Sie  kommunizieren miteinander durch die Freisetzung von bestimmten Botenstoffen, den Neurotransmittern. Diese werden im Nervenende hergestellt und dort durch Transport-Proteine in kleine Bläschen, die Vesikel, gepumpt. Beim Eintreffen eines elektrischen Signals werden die Transmitter in den synaptischen Spalt ausgeschüttet, der zwei Nervenzellen miteinander verbindet. Dabei verschmelzen die Vesikel mit der Membran der Zelle, wodurch die Botenstoffe freigesetzt werden und mit der nachgeschalteten Zelle reagieren können.

„Die Informationsübertragung zwischen Nervenzellen erfolgt innerhalb weniger Millisekunden. Die verwendeten Vesikel müssen in einem aufwändigen Prozess recycelt werden, bevor sie wieder mit Botenstoffen befüllt und für eine erneute Freisetzung zur Verfügung stehen. Dieses sogenannte Vesikel-Recycling (Endocytose), war bislang als ein eher langsamer Prozess betrachtet worden“. erklärt Prof. Christian Rosenmund, Sprecher des Exzellenzclusters NeuroCure der Charité und Mitautor der Studie. „Durch die Kombination neuester Methoden aus den Bereichen der Neurobiologie und Elektronenmikroskopie war es uns jetzt  möglich, diesen Prozess gezielt zu untersuchen“, fügt er hinzu.

Zuerst führten die Wissenschaftler ein Gen für lichtaktivierbare Kanalproteine in die Nervenzellen ein. Durch diesen „Trick“ ließ sich durch das kurze Aufblitzen einer blauen Lampe in allen Zellen nahezu gleichzeitig ein Aktionspotenzial auslösen. Wenige Millisekunden später wurden die Zellen schockgefroren um alle zellulären Prozesse zu fixieren. Im Anschluss analysierten die Forscher die Zellen unter einem Elektronenmikroskop, welches durch eine bis zu 100.000fache Vergrößerung die synaptischen Freisetzungs- und Fusionsprozesse sichtbar macht. Die Auswertung von etwa 3000 Synapsen nach dem "flash & freeze" Prozess ergab, dass die Endozytose innerhalb von wenigen hundertstel Sekunden abgeschlossen sein kann, also bedeutend schneller als die bisher angenommenen 20 Sekunden.

„Für uns war es sehr überraschend zu sehen, mit welch enormer Geschwindigkeit die Vesikel recycelt werden, betont Prof. Rosenmund. „Weiterführende Arbeiten sollen nun die beteiligten Moleküle der ultraschnellen Endocytose identifizieren.“

*Watanabe S, Rost BR, Camacho-Pérez M, Davis MW, Söhl-Kielczynski B, Rosenmund C, Jorgensen EM. Ultrafast endocytosis at mouse hippocampalsynapses. Nature. 2013 Dec 12;504(7479):242-7. doi: 10.1038/nature12809. Epub 2013 Dec 4. PubMedPMID: 24305055.

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