Eine US-amerikanische Studie untersucht, wie neue Informationen während des Schlaf-Wach-Zyklus vom Gehirn verarbeitet werden.
Anhand eines Mausmodells haben Forscher einen neuen Tagesrhythmus für eine Art von Synapse entdeckt, die die Hirnaktivität dämpft.
Diese als hemmende Synapsen bekannten neuronalen Verbindungen werden neu ausbalanciert, so dass wir während des Schlafs neue Informationen zu dauerhaften Erinnerungen konsolidieren können.
- Die in der Zeitschrift PLoS Biology veröffentlichten Ergebnisse können erklären, wie subtile synaptische Veränderungen das Gedächtnis beim Menschen verbessern.
ÜBERSICHT
Was ist der Ansatz der Gedächtnis-Studie?
„Eine Hemmung ist für jeden Aspekt der Gehirnfunktion wichtig. Aber seit über zwei Jahrzehnten konzentrieren sich die meisten Schlafstudien auf das Verständnis erregender Synapsen“, erklärt Dr. Wei Lu, leitender Forscher am National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS). Die neue Studie komme daher zur rechten Zeit, um zu verstehen, wie Schlaf und Wachsein die Plastizität von hemmenden Synapsen regulieren.
In der Studie untersuchten die Forscher, was an hemmenden Synapsen während des Schlafs und des Wachzustands bei Mäusen passiert. Elektrische Aufzeichnungen von Neuronen im Hippocampus – einer Gehirnregion, die für die Gedächtnisbildung wichtig ist – zeigten ein bisher unbekanntes Aktivitätsmuster.
Was sind die Ergebnisse der Studie?
Im Wachzustand nahm die gleichmäßige „tonische“ hemmende Aktivität zu, während die schnelle „phasische“ Hemmung abnahm. Sie fanden auch eine viel stärkere aktivitätsabhängige Verstärkung der hemmenden elektrischen Antworten in Neuronen von wachen Mäusen, was darauf hindeutet, dass Wachsein, aber nicht Schlaf, diese Synapsen in größerem Maße stärken kann.
Hemmende Neuronen verwenden den Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA), um die Aktivität im Nervensystem zu verringern. An hemmenden Synapsen setzen diese Neuronen GABA-Moleküle in den synaptischen Spalt frei, den Raum zwischen den Neuronen, in den die Neurotransmitter diffundieren. Die Moleküle binden sich an GABA-Rezeptoren vom Typ A (GABAA) auf der Oberfläche benachbarter erregender Neuronen, so dass diese weniger wahrscheinlich feuern.
Weitere Experimente zeigten, dass die synaptischen Veränderungen im Wachzustand durch eine erhöhte Anzahl von α5-GABAA-Rezeptoren bedingt sind. Wurden die Rezeptoren in wachen Mäusen blockiert, verringerte sich die aktivitätsabhängige Verstärkung der phasischen elektrischen Antworten. Dies deutet darauf hin, dass die Anhäufung von GABAA-Rezeptoren im Wachzustand der Schlüssel zum Aufbau stärkerer, effizienterer inhibitorischer Synapsen sein könnte, ein grundlegender Prozess, der als synaptische Plastizität bekannt ist.
Wenn wir also tagsüber neue Informationen lernen, werden unsere Neuronen mit erregenden Signalen aus dem Kortex und vielen anderen Bereichen des Gehirns bombardiert. Um diese Informationen in ein Gedächtnis umzuwandeln, müssen sie zunächst durch eine Hemmung reguliert und verfeinert werden.
Frühere Studien haben gezeigt, dass synaptische Veränderungen im Hippocampus durch Signale ausgelöst werden können, die von hemmenden Interneuronen ausgehen, einer speziellen Art von Zellen, die nur etwa 10-20 % der Neuronen im Gehirn ausmachen. Es gibt über 20 verschiedene Subtypen von Interneuronen im Hippocampus, aber neuere Studien haben zwei Typen hervorgehoben, die als Parvalbumin und Somatostatin bekannt sind und bei der Synapsenregulierung eine entscheidende Rolle spielen.
Welche Technologien kamen in der Studie zum Einsatz?
Um herauszufinden, welches Interneuron für die beobachtete Plastizität verantwortlich ist, setzte das Forscherteam die Optogenetik ein. Optogenetik ist eine Technik, bei der Zellen mit Hilfe von Licht ein- oder ausgeschaltet werden, und stellte fest, dass Wachsein zu mehr α5-GABAA-Rezeptoren und stärkeren Verbindungen von Parvalbumin-, aber nicht von Somatostatin-Interneuronen führte.
Menschen und Mäuse haben ähnliche neuronale Schaltkreise, die der Gedächtnisspeicherung und anderen wichtigen kognitiven Prozessen zugrunde liegen. Dieser Mechanismus könnte ein Weg sein, wie hemmende Eingänge die Ebbe und Flut von Informationen zwischen Neuronen und in ganzen Gehirnnetzwerken präzise steuern können.
Da die Hemmung für nahezu jeden Aspekt der Gehirnfunktion von wesentlicher Bedeutung ist, könnte diese Studie dazu beitragen, dass Wissenschaftler nicht nur den Schlaf-Wach-Zyklus, sondern auch neurologische Störungen verstehen, die auf abnormen Hirnrhythmen beruhen, wie z. B. Epilepsie.
Für die Zukunft plant die Forschergruppe von Dr. Lu, die molekularen Grundlagen des GABAA-Rezeptor-Transports zu hemmenden Synapsen zu untersuchen.
Quellen und weiterführende Literatur
Wu, et al. Sleep and wake cycles dynamically modulate hippocampal inhibitory synaptic plasticity. PLOS Biology, November 1, 2022.
Frank MG. Renormalizing synapses in sleep: The clock is ticking. Biochem Pharmacol. 2021;191:114533. Epub 2021/03/28
Cary BA, Turrigiano GG. Stability of neocortical synapses across sleep and wake states during the critical period in rats. eLife. 2021;10. Epub 2021/06/22
Wu K, Han W, Tian Q, Li Y, Lu W. Activity- and sleep-dependent regulation of tonic inhibition by Shisa7. Cell Rep. 2021;34(12):108899. Epub 2021/03/25.
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