Erwin Neher

Control of Neurotransmitter and Hormone Release by Calcium and Camp

Category: Lectures

Date: 29 June 2006

Duration: 36 min

Quality: SD

Subtitles: EN DE

Erwin Neher (2006) - Control of Neurotransmitter and Hormone Release by Calcium and Camp

Synaptic transmission is one of the main signaling mechanisms in the central nervous system. Synapses are the contact points between neurons and it is the signal flow across these junctions, which underlies the various information processing tasks, that our brain can fulfill

It’s my great pleasure to speak to so many young researchers. Richard Ernst just told you what's important to get a job, that you have to know at least 4D, if not more. He also told you what's important to be happy, I’m going to tell you what's really important. And this is of course understanding what happens in our brain. We have known for about 100 years, due to the work of the famous Spanish neuroanatomist Ramon y Cajal and due to the work of other neuroanatomists around that time, that our brain is a network, very intricate network of billions of cells, which are shown here. This is just a picture of a few cells in the cortex as drawn by Cajal. Today, of course, we know much more about the propagation of signals in this network of cells. And particularly what happens in these cells. We have recognised that a neuron, like most other cells, have the basic ingredients of what the cell needs, which is the cell body, some organs, mitochondria and so on. But what's special about the neuron is that it has extensions. Some of them, or one of them, one of these extensions, the nerve axon, as you see here, or when you take this neuron, as you see here this long tube-like structure, along which an action potential, a nerve impulse propagates. And it’s also seen here that the neuron has another type of extensions, namely the dendrites which have these knob-like structures on them. And it is there where the nerve endings make contact, like here. Or let’s take this neuron again, this nerve ending makes contact with this neuron at a so called synapse. So synapses are the contact points between neurons. And what an individual neuron does is it accumulates, it integrates the information coming in on all these synapses which make contact on its dendrites, it integrates it, and whenever a threshold is reached of activity, a new action potential is generated and is propagated along the axon to then excite other cells. And it’s the enormous electric activity, which flows in this network, which accomplishes this task of information processing. And what neuroscientists have recognised in the last 30, 40 years, that it is the so called synaptic plasticity, which is at the very basis of information processing in the brain. Unlike in the computer where connections between elements are fixed in their strength. Synaptic strength, which is the signal mediated in this cell by an axon potential in the preceding cell, is not fixed, it is plastic in the sense that it constantly changes while information is flowing through the system. So just in short what happens at the synapse when a nerve action potential invades the nerve terminal, there is a 4-step process taking place. The action potential opens calcium channels, a special type of ion channels which let calcium ions enter the cytosol. The increase in intracellular calcium concentration indicated by this cloud of dots here triggers exocytosis, which means it triggers or it makes some of the storage granules, like this one here, which contain neurotransmitter to fuse with the plasma membrane and expel its contents. The neurotransmitter diffuses across the synaptic cleft and on the other side a neurotransmitter opens ion channels so that ion currents can flow into the postsynaptic membrane and create again an electrical signal. So what you have is a transformation of an electrical signal into a chemical one and back into an electrical signal. Now, what's synaptic plasticity? I said already that the term describes the effect that the signal strength transformed in such a synapse constantly changes. And, as I said, that neuroscientists believe that it is this constant rewiring, this constant change in the network properties which underlies some of the more complex information processing tasks of the central nervous system. This plasticity occurs on many time scales, on very short time scales, on long time scales, in the sense that if you stimulate a synapse a few times it changes its strength. If the stimulus is short, then this change is readily reversible. If you apply a certain type of signal over and over again, then the change that is induced by this is more persistent. And an important point of it, which I will come back later in a slide, is that nature uses all possible molecular mechanisms it has at its disposition, which were developed in evolution to achieve this finely tuned regulation of the synaptic transmission. And of course, when we study in the laboratories synaptic transmission today, we not only want to understand the mechanism per se, but, and this is the kind of problems that we address in our laboratory, what mechanisms underlie this plastic changes. So what do I mean by plasticity, and particularly by the short term plastic changes which we study in our laboratory? This shows more or less an overview over a few different forms of short term plasticity, which you can observe in different synapses in the brain. For instance, up here in this case a certain type of synapse is stimulated ten times, the first stimulus gives a very big response. The subsequent responses are smaller and smaller. If you plot response amplitude versus time, you see a decaying function. This type of plasticity is termed short-term depression. Another synapse, the same structure in the brain, gives exactly the opposite, a strongly facilitating response. A third type of synapse gives a combination of two, facilitation followed by depression. So each type of synapse which we can differentiate morphologically also has its personality in terms of the short term plasticity. Now, before going into detail of mechanisms, let me come to a more general viewpoint. We know that in simple organisms, and I could have shown here also an example from yeast, simple organisms, simple cells have a tremendously complicated network of signalling events going on inside themselves. And these regulatory networks to regulate metabolism, to regulate cell cycle, to regulate protein biosynthesis and so on, these have of course developed during evolution. And evolution took maybe about 80% of the available time to develop these very complicated networks which are basically in every cell. Now, evolution tends to reuse earlier inventions for new purposes. Chemical transmission is a relatively new invention of evolution. I mean chemical transmission became only important, of course, when there were multi-cell organisms and after a more extensive nervous system has been developed. So it is quite likely that evolution reused all these mechanisms to do this job. And indeed, probably the reason why nature does it so complicated to transmit a signal from one neuron to the other, the best reason for this is that it gave the possibility to reuse what it had invented earlier on. And I mean, there has been a long debate in neuroscience why is there so much chemical transmission as opposed to electrical transmission. You do also find electrical transmission in the nervous system, where there are simply electric connections between two cells, to pass on an electrical signal from one cell to the next one. But the majority of synapses, particularly those involved in the signal processing tasks do use this very complicated process of chemical transmission in order to reuse the inventions of evolution. So for this reason, and now I am coming back to my title, it is not surprising to find that calcium, one of the most important second messengers, and also cyclic AMP are among the regulators. And I mean, I don’t want to say with my title that cyclic AMP and calcium are in any way special, they are just examples, I could probably have taken any other example of an important signalling pathway in normal cell biology and would have found that this influences one or the other step in synaptic transmission. So in fact, due to lack of time, I will probably concentrate in my lecture only on calcium, give you one example about the importance of calcium in the real triggering mechanism and then just mention at the end at what places cyclic AMP comes in. So when we talk about the short-term synaptic plasticity, the fact that synaptic transmission changes, when you use this synapse repeatedly, of course you want to ask what changes. Now I explain to you the basic mechanism of synaptic transmission, release of neurotransmitter, opening of channels on the other side. So what I didn’t mention is of course, when a vesicle is used up, when it has lost its contents, it has to be reformed, the membrane which has become part of the outer membrane now, has to be taken up again. New vesicles have to be formed, these have to be filled with transmitter. They have to be transported to the right places and so on. So along this multi step process, you may have changes, and in fact you do have changes, while this short term plasticity happens. And from a mechanistic point of view, these changes can be changes in second messenger levels, they can be changes in phosphorylation of the proteins involved. There is, on the longer time scale, a protein synthesis, protein degradation, there are cyctoskeletal reorganisations who play a role here. And of course there are gross morphological changes like axon sprouting and formation of new synapses altogether. Now let me come to what we are doing in our lab. As I said before, most of the processes we study are just processes which are known in other contexts. Synaptic plasticity has been described as early as the ‘50s, you know. Nevertheless, a progress in understanding what happens has been difficult for two reasons. First of all, with this multi-step process where you usually can measure only – you stimulate a nerve and you measure the output, the result, the signal in the pulse synaptic cell. So it’s hard to associate certain change to a certain mechanism, and this has been particularly difficult because presynaptic terminals as a rule are very small, structures of only 1 or 2 micrometre diameter dimensions, which are not easy to access with electro-physiological tools. However, it has been known since the work of Cajal and even earlier, that in some places in our brain there are special synapses with very large terminals. This is a drawing, again from Cajal, who drew this kind of calices of Held very often because he liked them, he thought they were proof for his concept of the neuron, which at this time, 100 years ago, was a big controversy on whether there are neurons in the brain, individual units or whether the brain would be a synthesium. And he liked to use the calyx of Held as a weapon against the so called antineuronistas. Ok, so what is the calyx of Held? It’s a synapse in the auditory pathway. What you see here is a brain slice, so to speak a slice from the brain stem of a rat, where you see the signal path of an auditory signal. So sound creates action potentials in the ear, in the cochlea, which are transmitted to this part of the brain, transmitted through a synapse here in the ventral cochlear nucleus. And then the information and action potential crosses the mid line and makes a synapse onto another cell here. And the output of this synapse then again goes to another brain area, the so called lateral superior olive. And it is here in the lateral superior olive where the information of one ear first meets the information from the other ear. Now, we have a very complicated task to do in hearing, namely the sound localisation, directional hearing, in order for us to recognise, to about 5° precision where sound comes from, we have to know time differences between this information to an accuracy of about 20-50 microseconds. Also we have to very finely be able to recognise intensity differences. And for this reason, because information has to be transported so precisely, these two synapses are built in a very special way with very large presynaptic terminals like shown here. Presynaptic terminal surrounding a compact postsynaptic neuron like a chalice, a calix, this is why this is named calyx of Held. And in this very big synapse there are about 500 so called active zones, regions where you see accumulations of vesicles, where vesicles are released and meet a postsynaptic target. And the big structure here allows us to insert electrodes into both compartments and to measure electrical signals from both compartments simultaneously. We can apply all the so called voltage clamp technique which allows us to fix the voltages, the electrical signals here on both sides. And it also allows us to infuse through the pipettes substances into these two compartments. And what we use this for is to infuse into these compartments fluorescent dyes, like here. This pipette here contains the fluorescent dye which diffused into the calyx, and so what you see here in the fluorescence microscopy is the dye which has been distributing here. Also the dye diffused into the axon. And we use this fluorescent dyes to, for instance calcium indicator dyes, to measure calcium, and we use this also, as I will show in a minute, to infuse caged compounds. Now, the synapse shows synaptic plasticity, as I explained to you before, at a certain concentration of extracellular calcium, you see here the typical sequence of facilitation and depression when you stimulate the synapse with a 100Hz pulse train. And as I said already, we are interested to find out what is the basis of these short term forms of synaptic plasticity. In short, the facilitation which I mentioned is usually understood in terms of the build-up of the local calcium signal. When calcium channels open, they create so called microdomains of elevated calcium. The red colour here is supposed to indicate the concentration of calcium which flows into these channels. But, as this picture indicates, the domains of increased calcium concentration are very small when channels open only shortly. But when you stimulate a cell repetitively, if these channels open and close repetitively, then the calcium will build up and finally reach, after three or four action potentials, larger dimensions just will increase successively. On the other hand, the depression which ensues then is usually understood in the synapse as a depletion of available vesicles, in the sense that when you stimulate the synapse 1, a relatively large fraction of those vesicles which are sitting here ready to be used, will be used up, so that you have to bring to the membrane new vesicles, you have to regenerate the vesicles and this finally is the limiting factor in the synapse, which makes the signal decay as you keep stimulating. So, as I said I will concentrate on only one aspect of this whole thing, which is the role of this local calcium increase to trigger this process of fusion of a vesicle with the plasma membrane. Now, we have known since 50 years, since the work of Katz and Miledi and later Eccles, that a rise in this calcium is immediate trigger for what happens here. But we have not known how high calcium concentration has to rise at the point of calcium sensing because of this complicated geometrical arrangement, we know from calcium imaging studies that the increase in free calcium is very localised. But of course calcium imaging studies can not resolve to better than the wavelengths of the light, a few hundred nanometres. And the distances between channels and things are shorter than a few hundred nanometres. And depending on how close a channel is to the release side, you can have calcium concentrations in the range from 10 micromolar up to almost a millimolar. So now we made an effort to really find out what the sensitivity of the release apparatus is. And, as I said, this is complicated because we don’t know the exact distances, and so even from measuring calcium you cannot infer on what happens really locally. So help comes from chemistry. Namely we can apply to the interior, so called caged compounds, caged calcium, substances like EGTA, calcium chelators, which however are photolabile. So calcium DM-nitrophen is one of these substances which you can destroy by a flash of UV light to produce photoproducts and to release the calcium which is bound to it. We can do this readily in the clinics of health by infusing this caged compound into the presynaptic terminal, together with the indicator dye. So we can measure the free calcium concentration here by the fluorescence. And we can induce a jump in free calcium concentration by giving a flash of UV light. And this is shown here on this half. Here you see that in the first experiment we gave a weak flash which increased calcium to about 2 micromolar and you see that this elicited in the postsynaptic cell, in this pipette, a current signal which is very small and noisy. It is very small and noisy because it results from the release of only relatively few vesicles and we know, we can measure that a single vesicle containing transmitter, when it releases its transmitter, produces a small signal, a so called miniature excited or postsynaptic current in the order of magnitude of 20, 30 picoamp, which decays very rapidly. And what you see here is indeed the superposition of quite a number of such events, but still at a relatively low rate of maybe a few events per millisecond. Now, if we give a stronger flash and increase calcium to 4 micromolar, you can see that you induce a much larger current, this is a different scale now. Still it’s a little bit noisy because, of course, it also consists of a superposition of many of these elementary events. If you go to 6 micromolar, you induce a current of about 7/8 nanoamp, which is comparable to the current which you induce by stimulating the synapse in the usual physiological way, by an action potential. So a very first answer to our question, how high does calcium have to rise in order to produce a normal physiological response, would be you have to go up into the range of 6 micromolar. But of course this is not an exact answer because what we are doing here, we are increasing calcium and calcium stays up. Whereas in real life, when an action potential comes, calcium channels will open very shortly and will close again, so that you have only very short-lived, transient increase in calcium and you would expect that you would need higher peak values of the strengths of calcium to produce the same response here as compared to the case where calcium stays up. So we have to do more biophysical analysis and the kind of analysis we do here is not spectroscopy but deconvolution analysis. Deconvolution analysis again is a linear technique like spectroscopy, which assumes that the responses you measure here are the linear superposition of signals of this shape. Now, if you know the elementary signal, you can deconvolve these traces and get back as an output a time function which gives you the weight by which these individual signals occur and contribute to make up these traces. And as you can see here, when we deconvolve this trace here, the answer is that the weight of release rises very shortly after the flash to a value of about maybe 10 events per millisecond and then drops back again. For the bigger flash, the black curve here, we can see the rate rapidly rises to a peak value of about 60 release events per millisecond. It then drops down rapidly, in spite of the fact that calcium is still high, so this must mean that we are exhausting the supply of release ready vesicles and indeed the decay time constant here then would give us the mean time that it takes for a given vesicle to release at a calcium concentration of this amplitude. Ok, so we can do many of these experiments, analyse peak release rates, analyse the half rise times and so on, do a kinetic analysis on this. And we find, if we plot for instance the peak release rate versus the calcium value reached during the experiment, that this is a very steep function of calcium. The broken curve here has a slope of 4.2, which means that you probably need at least four calcium ions, if not five to trigger this process. We see that the delay shortens as we increase calcium. And we can put this data into a biophysical model where we assume that some calcium sensor x has to bind calcium, and once it has bound five calcium ions it can fuse. So the kinetic data allows us then to get the rate constants, the rate of calcium bindings, the rate of calcium association, the fusion rate for the quintuply bound sensor. And once we have basically characterised the kinetics of the system in this way, we now can go back to the question of what happens during an action potential, when we now just record postsynaptically, stimulate the afferent nerve, elicit an action potential in the afferent nerve and observe a postsynaptic current which has this shape. So we can deconvolve the postsynaptic current and get this time function which is the release rate, vesicles per millisecond, released during the action potential. We can see that the peak release rate is about 300 vesicles per millisecond, that the release happens only during a very short interval, only about the halfwidth of about half a millisecond. Now we can go into our biophysical model and ask which calcium concentration do we have to drive the model with, in order to obtain this black curve. And the answer is that we have to apply to the model a calcium time function as the red function, the red trace here. And it tells us that we infer, so to speak, that we need a peak calcium concentration of about 25 micromolar. That we need a calcium time course of this calcium signal of only about 400 microsecond halfwidths. If we give a broader calcium signal to the model, then the output will be too broad, the rise time of the EPSC would be too long. So from this we infer that the calcium transient has to be very short, peak of about 20 micromolar, only half a millisecond wide. Now, more recent measurements by a student in Bert Sakmann’s lab showed that actually if you induce experimentally by modifying the technique of caged calcium such short calcium transient, you actually have to apply exactly those wave forms which were predicted by this model in order to produce actionpotential-like responses. And biophysical modelling tells you that such high calcium concentrations are only obtained in microdomains around open channels. So this is kind of biophysical proof that indeed there is this very close association between channels and release sites. And that the signalling here happens very locally. Now, ok, I mean we studied many steps around this and of course got quite a number of more results. Let me just say a few words on the role of cyclic AMP also. Let me start from down there. As I showed to you, calcium is important for the triggering of exocytosis. In terms of molecules, this happens through so called SNARE proteins, specific molecules which are found in the presynaptic terminal, which are believed to form a complex to tie the vesicle and the membrane together. And then probably interact with a calcium binding protein by name of synaptotagmin in order to induce this rapid response. We looked at the role of cyclic AMP and found that this triggering step, this very fast process was immune to all kind of modulation by cyclic AMP and other things. So it seems that in this final triggering step, it’s only calcium which plays a role. However, in the preceding step of formation of this molecular machinery, in probably also the transport of a vesicle to the right place, there are two players. On the one hand there is another role of calcium acting on a much slower time scale, through calmodulin. And of the role of cyclic AMP, probably mediated through a cyclic AMP dependent nucleotide exchange factor. The two of them have to cooperate in order to obtain what's called priming, which means some final step, biochemical step before a vesicle becomes ready for release. Furthermore, in another series of studies we looked at the role of a kinase dependent process, and could show that phosphorylation of one of these so called SNARE proteins, the protein by name SNAP25, is actually important in this priming reaction. Again we found that phosphorylation of these molecules does not influence the triggering step but rather this priming step. And all of this work, of course, was not done by myself, but by young researchers in the lab, Takeshi Sakaba, a post doc from Japan, Ralf Schneggenburger, who is now a professor in Lucerne in Switzerland, Nobutake Hosoi, who is a postdoc in the laboratory now, Felix Felmy, who did his PhD study on this process. Thank you very much for your attention.

Es ist mir eine große Freude zu so vielen jungen Forschern zu sprechen. Richard Ernst hat Ihnen ja gerade mitgeteilt, was wichtig ist, um einen Job zu bekommen, dass Sie mindestens 4-dimensionales Wissen brauchen oder auch mehr. Er hat Ihnen auch mitgeteilt, was wichtig ist, um glücklich zu sein. Ich sage Ihnen jetzt, was wirklich wichtig ist. Und das ist natürlich zu verstehen, was in unserem Gehirn vor sich geht. Seit etwa 100 Jahren wissen wir dank der Arbeit des berühmten spanischen Neuroanatoms Ramon y Cajal und dank der Arbeit weiterer Neuroanatome dieser Zeit, dass unser Gehirn ein Netzwerk ist, ein sehr komplexes Netzwerk aus Milliarden von Zellen, die hier abgebildet sind. Dies ist eine von Cajal gezeichnete Darstellung von nur ein paar Zellen aus dem Kortex. Heute wissen wir natürlich weit mehr über die Signalübertragung in diesem Netzwerk von Zellen. Und insbesondere über die Vorgänge in diesen Zellen. Wir haben herausgefunden, dass ein Neuron, wie die meisten anderen Zellen auch, über die wesentlichen Bestandteile verfügt, die eine Zelle braucht, nämlich den Zellkörper, einige Organellen, Mitochondrien usw. Das Besondere an einem Neuron aber sind seine Extensionen. Eine dieser Extensionen, das Axon, das Sie hier sehen, oder wenn Sie dieses Neuron nehmen, wie Sie hier sehen, diese lange, röhrenartige Struktur, entlang derer sich ein Aktionspotenzial, ein Nervenimpuls ausbreitet. Und man kann außerdem sehen, dass das Neuron noch eine andere Art von Extension aufweist, nämlich die Dendriten mit diesen knubbeligen Strukturen daran. Und genau dort stellen die Nervenenden Kontakt her, wie hier. Oder nehmen wir noch einmal dieses Neuron, dieses Nervenende stellt Kontakt her mit diesem Neuron an der sogenannten Synapse. Die Synapsen sind also die Kontaktpunkte zwischen den Neuronen. Und was ein einzelnes Neuron tut, ist, es akkumuliert, es integriert die Informationen, die an all diesen Synapsen, die mit seinen Dendriten in Kontakt stehen, hereinkommen. Es integriert sie und jedes Mal, wenn ein Aktivitätsschwellenwert überschritten wird, wird ein neues Aktionspotenzial erzeugt und entlang des Axons weitergeleitet, um dann eine andere Zelle zu erregen. Und es ist die enorme elektrische Aktivität, die in diesem Netzwerk fließt, die diese Aufgabe der Informationsverarbeitung bewältigt. Und in den letzten 30, 40 Jahren haben Neurowissenschaftler herausgefunden, dass es die sogenannte synaptische Plastizität ist, die die Grundlage der Informationsverarbeitung im Gehirn bildet. Im Gegensatz zum Computer, bei dem die Verbindungen zwischen den Elementen in ihrer Stärke festgelegt sind, ist die synaptische Stärke, also das in dieser Zelle durch das Aktionspotenzial der vorgelagerten Zelle vermittelte Signal nicht festgelegt, es ist plastisch, in dem Sinne, dass es sich fortwährend ändert, während Informationen durch das System fließen. Also kurz, was an der Synapse geschieht, wenn ein Aktionspotenzial in das Nervenende eindringt, es findet ein aus 4 Schritten bestehender Prozess statt. Das Aktionspotenzial öffnet Kalziumkanäle, eine besondere Art von Ionenkanälen, die Kalziumionen in das Zytosol einströmen lassen. Der Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration, hier durch diese Punktwolke dargestellt, löst Exozytose aus, das heißt, er löst aus bzw. er bringt einige der Speichergranula wie diese hier, die Neurotransmitter enthalten, dazu, mit der Plasmamembran zu verschmelzen und ihren Inhalt freizusetzen. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt und auf der anderen Seite öffnet ein Neurotransmitter Ionenkanäle, sodass Ionenströme in die postsynaptische Membran fließen und erneut ein elektrisches Signal erzeugen können. Was hier also vorliegt, ist die Umwandlung eines elektrischen Signals in ein chemisches und zurück in ein elektrisches Signal. Was also genau ist synaptische Plastizität? Ich habe bereits gesagt, dass der Begriff den Effekt beschreibt, dass sich die in einer solchen Synapse transformierte Signalstärke fortwährend ändert. Und, wie ich schon sagte, glaubten Neurowissenschaftler, dass es diese fortwährende Neuverdrahtung ist, diese permanente Änderung der Netzwerkeigenschaften, die einigen der komplexeren Informationsverarbeitungsaufgaben des Zentralnervensystems zugrunde liegt. Diese Plastizität findet auf verschiedenen Zeitskalen statt, auf sehr kurzen Zeitskalen, auf langen Zeitskalen, in dem Sinne, dass bei mehrmaliger Stimulierung einer Synapse diese ihre Stärke ändert. Hält der Stimulus nur kurz an, ist diese Änderung leicht rückgängig zu machen. Wenn Sie eine bestimmte Art von Signal jedoch immer wieder anwenden, ist die dadurch induzierte Änderung nachhaltiger. Und dabei ist ein wichtiger Punkt, auf den ich in einer späteren Folie zurückkommen werde, dass die Natur alle möglichen, ihr zur Verfügung stehenden molekularen Mechanismen, die sich im Laufe der Evolution entwickelt haben, nutzt, um diese fein abgestimmte Regulierung der synaptischen Übertragung zu erreichen. Wenn wir heute in den Labors die synaptische Übertragung untersuchen, möchten wir natürlich nicht nur den Mechanismus an sich verstehen, sondern auch, und das ist die Art von Problemen, mit der wir uns in unserem Labor beschäftigen, welche Mechanismen diesen plastischen Änderungen zugrunde liegen. Was also meine ich mit Plastizität, insbesondere mit den kurzzeitigen plastischen Änderungen, die wir in unserem Labor untersuchen? Dies zeigt mehr oder weniger einen Überblick über einige der verschiedenen Formen von Kurzzeitplastizität, die Sie in verschiedenen Synapsen im Gehirn beobachten können. Hier oben in diesem Fall zum Beispiel, wird eine bestimmte Art von Synapse zehnmal stimuliert, der erste Stimulus bewirkt eine heftige Antwort. Die nachfolgenden Antworten werden schwächer und schwächer. Wenn Sie die Antwortamplitude gegenüber der Zeit darstellen, sehen Sie eine absteigende Funktion. Diese Art der Plastizität nennt man Kurzzeitdepression. Eine andere Synapse, die gleiche Struktur im Gehirn, gibt genau die gegenteilige, eine stark fördernde Antwort. Eine dritte Art von Synapse gibt eine Kombination aus beiden, Bahnung gefolgt von Depression. So hat also jede Art von Synapse, die wir morphologisch unterscheiden können, auch einen eigenen Charakter in Bezug auf die Kurzzeitplastizität. Bevor wir ins Detail der Mechanismen gehen, lassen Sie mich auf einen allgemeineren Gesichtspunkt kommen. Wir wissen, dass in primitiven Organismen, und ich hätte hier als Beispiel auch Hefe zeigen können, einfache Organismen, innerhalb einfacher Zellen gibt es eine ungeheuer komplizierte Signalkaskade. Und diese regulierenden Netzwerke zur Regulierung des Stoffwechsels, zur Regulierung des Zellzyklus, zur Regulierung der Proteinbiosynthese usw. haben sich natürlich im Laufe der Evolution entwickelt. Und die Evolution brauchte etwa 80 % der verfügbaren Zeit, um diese sehr komplizierten Netzwerke, die sich im Wesentlichen in jeder Zelle befinden, zu entwickeln. Nun tendiert die Evolution dazu, frühere Erfindungen für neue Zwecke wiederzuverwenden. Chemische Übertragung ist eine relativ neue Erfindung der Evolution. Ich meine, chemische Übertragung erlangte natürlich erst Bedeutung, als es vielzellige Organismen gab und nachdem sich ein umfangreicheres Nervensystem entwickelt hatte. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass die Evolution all diese Mechanismen wiederverwendete, um die Aufgabe zu erfüllen. Und tatsächlich, wahrscheinlich lag der Grund dafür, dass die Natur zur Übertragung eines Signals von einem Neuron auf ein anderes zu so komplizierten Maßnahmen gegriffen hat, lag der wahrscheinlichste Grund darin, dass die Möglichkeit bestand, frühere Erfindungen wiederzuverwenden. Damit will ich sagen, es gab eine lange Diskussion in den Neurowissenschaften darüber, warum es so viel chemische Übertragung im Gegensatz zu elektrischer Übertragung gibt. Elektrische Übertragung gibt es im Nervensystem auch, in dem es einfach elektrische Verbindungen zwischen zwei Zellen gibt, um ein elektrisches Signal von einer Zelle zur nächsten weiterzuleiten. Die Mehrheit der Synapsen jedoch, insbesondere die an der Signalverarbeitung beteiligten, verwenden diesen sehr komplizierten Vorgang der chemischen Übertragung, um die Erfindungen der Evolution wiederzuverwenden. Aus diesem Grund, und jetzt komme ich zu meiner Überschrift zurück, ist es nicht überraschend, Kalzium, einen der wichtigsten sekundären Botenstoffe, und auch zyklisches AMP unter den Regulatoren zu finden. Mit meiner Überschrift wollte ich nicht sagen, dass zyklisches AMP und Kalzium in irgendeiner Weise etwas Besonderes sind, sie sind lediglich Beispiele. Wahrscheinlich hätte ich ein beliebiges anderes Beispiel eines wichtigen Signalwegs aus der normalen Zellbiologie nehmen können und hätte herausgefunden, dass dieses den einen oder anderen Schritt in der synaptischen Übertragung beeinflusst. Aus Zeitmangel werde ich mich daher in diesem Vortrag wahrscheinlich nur auf Kalzium konzentrieren, Ihnen ein Beispiel für die Bedeutung von Kalzium im echten Auslösemechanismus geben, und dann am Ende nur erwähnen, an welchen Stellen zyklisches AMP ins Spiel kommt. Wenn wir also über synaptische Kurzzeitplastizität reden, über die Tatsache, dass sich die synaptische Übertragung ändert, wenn diese Synapse wiederholt verwendet wird, dann möchten Sie natürlich fragen, was sich eigentlich ändert. Ich erkläre Ihnen jetzt den grundlegenden Mechanismus der synaptischen Übertragung, die Freisetzung von Neurotransmitter, das Öffnen der Kanäle auf der anderen Seite. Was ich bisher nicht erwähnt habe, ist natürlich der Umstand, dass ein verbrauchtes Vesikel, eines, das seinen Inhalt verloren hat, neu gebildet werden muss, die Membran, die jetzt Teil der Zellmembran geworden ist, muss wiederhergestellt werden. Neue Vesikel müssen gebildet, diese müssen mit Transmitter gefüllt werden. Sie müssen an die richtigen Stellen transportiert werden usw. Innerhalb dieses aus vielen Schritten bestehenden Vorgangs, kann es Veränderungen geben, und in der Tat gibt es Veränderungen, während diese Kurzzeitplastizität stattfindet. Aus mechanistischem Blickwinkel betrachtet können diese Veränderungen auf Ebene der sekundären Botenstoffe auftreten, es können Veränderungen in der Phosphorylierung der beteiligten Proteine sein. Es gibt längerfristig betrachtet eine Proteinsynthese, Proteinabbau, es gibt Umstrukturierungen des Zytoskeletts, die hier eine Rolle spielen. Und natürlich gibt es grobe morphologische Veränderungen wie die Aussprossung eines Axons und die Bildung ganz neuer Synapsen. Lassen Sie mich jetzt zu dem kommen, was wir in unserem Labor machen. Wie ich bereits sagte, sind die meisten Prozesse, die wir untersuchen, einfach Prozesse, die man aus anderen Zusammenhängen kennt. Synaptische Plastizität wurde bereits in den 1950er-Jahren beschrieben. Dennoch gestaltete es sich aus zwei Gründen schwierig, Fortschritte beim Verständnis dessen zu erzielen, was geschieht. Zuerst einmal ist es bei diesem aus mehreren Schritten bestehenden Prozess, bei dem Sie nur messen können... Sie stimulieren einen Nerv und Sie messen die Ausgabe, das Ergebnis, das Signal in der postsynaptischen Zelle. Daher ist es schwierig, eine bestimmte Veränderung einem bestimmten Mechanismus zuzuordnen. Und besonders schwierig ist es auch deshalb, weil präsynaptische Endigungen von Natur aus sehr kleine Strukturen mit einem Durchmesser von nur 1 oder 2 Mikrometer sind, die mit elektrophysiologischen Mitteln nicht leicht zugänglich sind. Dennoch wusste man seit der Arbeit von Cajal oder sogar schon davor, dass es an manchen Stellen in unserem Gehirn besondere Synapsen mit sehr großen Endigungen gibt. Dies ist eine Zeichnung, wieder von Cajal, der diese Art von Held'schen Calyces sehr häufig zeichnete, weil er sie mochte, er hielt sie für einen Beweis seines Konzepts des Neurons, das zu seiner Zeit vor 100 Jahren eine große Kontroverse darstellte, ob es denn nun Neuronen im Gehirn gäbe oder einzelne Einheiten oder ob das Gehirn ein Synthesium wäre. Und er verwendete die Held'sche Calyx gerne als Waffe gegen die sogenannten Antineuronistas. Was also ist die Held'sche Calyx? Das ist eine Synapse in der zentralen Hörbahn. Was Sie hier sehen ist ein Gehirnschnitt, sozusagen eine Scheibe vom Hirnstamm einer Ratte, bei dem Sie den Signalweg eines akustischen Signals erkennen können. Ein Geräusch erzeugt also Aktionspotenziale im Ohr, in der Cochlea, die an diesen Teil des Gehirns übertragen werden, übertragen durch eine Synapse hier im ventralen Cochleariskern. Und dann überschreiten die Information und das Aktionspotenzial die Mittellinie und bilden eine Synapse zu einer anderen Zelle hier. Und der Ausgang dieser Synapse geht dann wiederum zu einem anderen Bereich im Gehirn, der sogenannten lateralen oberen Olive. Und hier in der lateralen oberen Olive trifft die Information von einem Ohr zuerst auf die Information vom anderen Ohr. Nun haben wir beim Hören eine sehr komplizierte Aufgabe zu erfüllen, nämlich die Lokalisation des Geräuschs, Richtungshören, damit wir mit etwa 5° Präzision erkennen können, woher das Geräusch kommt, müssen wir die Zeitunterschiede zwischen diesen Informationen mit einer Genauigkeit von etwa 20 bis 50 Mikrosekunden erkennen. Auch müssen wir in der Lage sein, Intensitätsunterschiede sehr genau zu erkennen. Und aus diesem Grund, weil Information so präzise weitergeleitet werden muss, sind diese zwei Synapsen auf ganz bestimmte Weise gebaut, mit sehr großen präsynaptischen Endigungen, wie hier gezeigt. Eine präsynaptische Endigung, die ein kompaktes postsynaptisches Neuron wie ein Kelch, eine Calyx, umgibt, deshalb heißt diese Held'sche Calyx. Und in dieser sehr großen Synapse gibt es etwa 500 sogenannte aktive Zonen, Regionen,in denen Sie Ansammlungen von Vesikeln erkennen, in denen Vesikel freigesetzt werden und auf ein postsynaptisches Ziel treffen. Und diese große Struktur hier erlaubt es uns, Elektroden in beide Kompartimente einzuführen und die elektrischen Signale beider Kompartimente gleichzeitig zu messen. Wir können die sogenannte Voltage-Clamp-Technik anwenden, die es uns ermöglicht, die Spannung festzulegen, die elektrischen Signale hier auf beiden Seiten. Und sie ermöglicht es uns ebenfalls, mithilfe von Pipetten Substanzen in diese beiden Kompartimente einzuschleusen. Und das verwenden wir, um diese Kompartimente mit Fluoreszenzfarbstoffen zu füllen, wie hier. Diese Pipette hier enthält den Fluoreszenzfarbstoff, der in die Calyx diffundiert ist, und daher sehen Sie hier in der Fluoreszenzmikroskopie den Farbstoff, der sich hier verteilt hat. Auch den Farbstoff, der ins Axon diffundiert ist. Und wir verwenden diese Fluoreszenzfarbstoffe, zum Beispiel Kalziumindikatorfarben, um Kalzium zu messen, und wir verwenden dies auch, wie ich in einer Minute zeigen werde, um caged-Verbindungen einzufüllen. Nun, die Synapse zeigt synaptische Plastizität, wie ich Ihnen zuvor erläutert habe, bei einer bestimmten Konzentration an extrazellulärem Kalzium, Sie sehen hier die typische Reihenfolge von Bahnung und Depression, wenn Sie die Synapse mit einer 100-Hz-Impulsfolge stimulieren. Und wie ich bereits gesagt habe, möchten wir herausfinden, was die Grundlage dieser kurzzeitigen Formen synaptischer Plastizität ist. Kurz gesagt, die erwähnte Bahnung wird gewöhnlich als Aufbau des lokalen Kalziumsignals verstanden. Wenn sich die Kalziumkanäle öffnen, erzeugen sie sogenannte Mikrodomänen erhöhter Kalziumkonzentration. Die rote Farbe hier soll die Kalziumkonzentration anzeigen, die in diese Kanäle einströmt. Aber, wie diese Abbildung anzeigt, sind die Domänen erhöhter Kalziumkonzentration sehr klein, wenn sich die Kanäle nur kurz öffnen. Wenn Sie eine Zelle jedoch wiederholt stimulieren, wenn sich diese Kanäle wiederholt öffnen und schließen, sammelt sich das Kalzium an und erreicht nach drei oder vier Aktionspotenzialen schließlich größere Ausmaße, erhöht sich einfach sukzessive. Auf der anderen Seite versteht man die sich anschließende Depression gewöhnlich als Erschöpfung der verfügbaren Vesikel, in dem Sinne, dass, wenn Sie Synapse 1 stimulieren, ein relativ großer Teil der sich hier befindenden einsatzbereiten Vesikel aufgebraucht wird, sodass erst neue Vesikel zur Membran gebracht werden müssen, Vesikel neu erzeugt werden müssen. Und dies schließlich ist der limitierende Faktor in der Synapse, der dazu führt, dass das Signal abnimmt, wenn Sie mit der Stimulierung fortfahren. Wie schon gesagt, konzentriere ich mich auf nur einen Aspekt dieser ganzen Sache, nämlich auf die Rolle des lokalen Kalziumanstiegs, um diesen Vorgang der Fusion eines Vesikels mit der Plasmamembran auszulösen. Wir wissen bereits seit 50 Jahren, seit der Arbeit von Katz und Miledi und später auch von Eccles, dass ein Anstieg dieses Kalziums sofortiger Auslöser des Geschehens hier ist. Aber aufgrund dieser komplizierten geometrischen Anordnung wussten wir nicht, wie stark die Kalziumkonzentration an der Stelle der Kalziumwahrnehmung ansteigen muss, wir wissen aus bildgebenden Kalziumuntersuchungen, dass der Anstieg an freiem Kalzium räumlich sehr begrenzt ist. Aber natürlich können Kalziumuntersuchungen mit bildgebenden Verfahren keine Auflösung erreichen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, ein paar Hundert Nanometer. Und die Abstände zwischen den Kanälen und dem Rest sind kleiner als ein paar Hundert Nanometer. Und abhängig davon, wie nah ein Kanal der freisetzenden Seite ist, lassen sich Kalziumkonzentrationen im Bereich von 10 Mikromolar bis zu beinahe einem Millimolar messen. Daher unternahmen wir jetzt den ernsthaften Versuch, wirklich herauszufinden, welche Empfindlichkeit der Freisetzungsapparat aufweist. Und wie schon gesagt ist dies kompliziert, weil wir die exakten Abstände nicht kennen, und daher auch aus der Messung von Kalzium nicht schließen können, was lokal wirklich geschieht. Hilfe kommt aus der Chemie. Wir können nämlich auf das Innere sogenannte caged-Verbindungen, caged-Kalzium, Substanzen wie EGTA, Kalzium-Chelatoren anwenden, die jedoch photolabil sind. Der Kalzium-DM-Nitrophen-Komplex ist eine dieser Substanzen, die Sie durch Blitze mit UV-Licht zerstören können, um Photoprodukte zu erzeugen und das daran gebundene Kalzium freizusetzen. Wir können dies einfach in den Gesundheitseinrichtungen tun, indem wir diese caged-Verbindung, zusammen mit der Indikatorfarbe, in die präsynaptische Endigung einschleusen. So können wir hier die Konzentration an freiem Kalzium durch Fluoreszenz messen. Und wir können durch einen UV-Lichtblitz einen sprunghaften Anstieg der Konzentration an freiem Kalzium bewirken. Und das ist hier auf dieser Hälfte dargestellt. Hier erkennen Sie, dass wir im ersten Experiment nur einen schwachen Blitz ausgelöst haben, der die Kalziumkonzentration auf etwa 2 Mikromolar ansteigen ließ, und Sie erkennen, dass dies in der postsynaptischen Zelle, in dieser Pipette, ein sehr schwaches und verrauschtes Stromsignal hervorrief. Es ist sehr schwach und verrauscht, weil es durch die Freisetzung nur relativ weniger Vesikel entsteht. Wir wissen, wir können messen, dass ein einzelnes, Transmitter enthaltendes Vesikel, wenn es den Transmitter freisetzt, nur ein schwaches Signal erzeugt. Ein sogenannter Miniaturstrom erregt einen postsynaptischen Strom in der Größenordnung von 20, 30 Picoampere, der sehr rasch abfällt. Und was Sie hier sehen, ist tatsächlich die Überlagerung einer ganzen Reihe solcher Ereignisse, aber immer noch mit einer relativ niedrigen Rate von vielleicht ein paar Ereignissen pro Millisekunde. Nun, wenn wir einen stärkeren Blitz auslösen und Kalzium auf 4 Mikromolar ansteigen lassen, erkennen Sie, dass wir einen weit stärkeren Strom induzieren, das ist jetzt eine andere Skala. Es ist immer noch ein bisschen verrauscht, weil es natürlich auch aus der Überlagerung vieler dieser elementaren Ereignisse besteht. Wenn Sie auf 6 Mikromolar gehen, induzieren Sie einen Strom von etwa 7-8 Nanoampere, was vergleichbar ist mit dem Strom, den Sie durch Stimulation der Synapse auf die herkömmliche physiologische Weise, durch ein Aktionspotenzial, induzieren. Eine erste Antwort auf unsere Frage, wie hoch muss die Kalziumkonzentration ansteigen, um eine normale physiologische Antwort zu erzeugen, lautet daher, sie muss in den Bereich von 6 Mikromolar ansteigen. Das ist natürlich keine exakte Antwort, denn was wir hier machen ist, wir erhöhen das Kalzium und das Kalzium bleibt erhöht. In Wirklichkeit öffnen sich die Kalziumkanäle bei Eintreffen eines Aktionspotenzials dagegen sehr kurzzeitig und schließen sich wieder, sodass es nur zu einem sehr kurzlebigen, vorübergehenden Kalziumanstieg kommt und man erwarten würde, dass höhere Kalziumkonzentrationsspitzen erforderlich wären, um hier dieselbe Antwort zu erzeugen wie in dem Fall, in dem die Kalziumkonzentration erhöht bleibt. Daher müssen wir weitere biophysikalische Analysen vornehmen und die Art von Analyse, die wir hier vornehmen, ist nicht Spektroskopie sondern Entfaltungsanalyse. Entfaltungsanalyse ist wie die Spektroskopie eine lineare Technik, bei der angenommen wird, dass die hier gemessene Antwort die lineare Überlagerung von Signalen dieser Form ist. Wenn Sie das elementare Signal kennen, können Sie diese Spuren entfalten und erhalten als Ergebnis eine Zeitfunktion, der Sie die Wichtung entnehmen können, mit der diese einzelnen Signale auftreten und zur Entstehung dieser Spuren beitragen. Wie Sie hier sehen können, ist die Antwort bei Entfaltung dieser Spur hier, dass die Wichtung der Ausschüttung sehr kurz nach dem Blitz auf einen Wert von vielleicht ca. 10 Ereignissen pro Millisekunde ansteigt und dann wieder abfällt. Bei einem stärkeren Blitz, die schwarze Kurve hier, erkennen wir, dass die Rate schnell auf einen Spitzenwert von etwa 60 Freisetzungsereignissen pro Millisekunde ansteigt. Sie fällt dann rasch ab, trotz der Tatsache, dass die Kalziumkonzentration immer noch hoch ist. Daher muss das bedeuten, dass wir den Vorrat an sekretionsbereiten Vesikeln erschöpft haben. Und tatsächlich ergäbe sich aus der Konstante für die Abfallzeit die Zeit, die es bei einem bestimmten Vesikel durchschnittlich dauert, bis die Freisetzung bei einer Kalziumkonzentration dieser Amplitude erfolgt. Wir können also viele dieser Experimente durchführen, die maximalen Ausschüttungsraten analysieren, halbe Anstiegszeiten analysieren usw., eine kinetische Analyse davon durchführen. Und wir erkennen, wenn wir zum Beispiel die maximale Ausschüttungsrate dem während des Experiments erreichten Kalziumwert gegenüberstellen, dass dies eine sehr steile Kalziumfunktion ergibt. Diese gebrochene Kurve hier hat einen Anstieg von 4,2. Das bedeutet, dass Sie vermutlich mindestens 4, wenn nicht 5 Kalziumionen brauchen, um den Vorgang auszulösen. Wir erkennen, dass sich die Verzögerung mit dem Anstieg von Kalzium verkürzt. Und wir können mithilfe dieser Daten ein biophysikalisches Modell entwickeln, bei dem wir annehmen, dass ein Kalziumsensor X Kalzium binden muss, und nachdem er 5 Kalziumionen gebunden hat, kann er verschmelzen. Die kinetischen Daten erlauben es uns dann, die Ratenkonstanten, die Rate der Kalziumbindungen, die Rate der Kalziumzuordnung, die Fusionsrate des fünffach gebundenen Sensors zu ermitteln. Und nachdem wir auf diese Art die Kinetik des Systems im Wesentlichen charakterisiert haben, können wir uns jetzt wieder der Frage zuwenden, was während eines Aktionspotenzials geschieht, wenn wir jetzt einfach nur postsynaptisch aufzeichnen, den afferenten Nerv stimulieren, ein Aktionspotenzial im afferenten Nerv erregen und einen postsynaptischen Strom dieser Form beobachten. Wir können den postsynaptischen Strom entfalten und erhalten diese Zeitfunktion, die die Ausschüttungsrate darstellt, Vesikel pro Millisekunde, die während des Aktionspotenzials freigesetzt werden. Wir können erkennen, dass die maximale Ausschüttungsrate bei etwa 300 Vesikeln pro Millisekunde liegt, dass die Ausschüttung während eines sehr kurzen Intervalls vor sich geht, mit einer Halbwertsbreite von nur etwa einer halben Millisekunde. Jetzt können wir zu unserem biophysikalischen Modell zurückgehen und fragen, mit welcher Kalziumkonzentration müssen wir das Modell füttern, um diese schwarze Kurve hier zu erhalten. Die Antwort ist, dass wir auf das Modell eine Kalzium-Zeitfunktion anwenden müssen. Wie diese rote Funktion, die rote Spur hier. Und sie sagt uns, dass wir sozusagen eingreifen, dass wir eine maximale Kalziumkonzentration von etwa 25 Mikromolar brauchen. Dass wir eine Kalzium-Zeitkurve dieses Kalziumsignals mit nur ungefähr 400 Mikrosekunden Halbwertsbreite brauchen. Wenn wir das Modell mit einem breiteren Kalziumsignal füttern, wird das Ergebnis zu breit ausfallen, die Anstiegszeit des EPSP wäre zu lang. Daraus schließen wir, dass der Kalziumtransient sehr kurz sein muss, mit einem Peak von etwa 20 Mikromolar, mit einer Halbwertsbreite von nur einer halben Millisekunde. Nun, neuere Messungen von einem Studenten im Labor von Bert Sakmann haben gezeigt, dass man, wenn man experimentell durch Modifizierung der caged-Kalzium-Technik solch kurze Kalziumtransienten induziert, tatsächlich genau diese Wellenformen anwenden muss, die von diesem Modell vorausgesagt wurden, um aktionspotenzialähnliche Antworten zu erzeugen. Und biophysikalische Modelle sagen Ihnen weiterhin, dass solch hohe Kalziumkonzentrationen nur in den Mikrodomänen um offene Kanäle herum erreicht werden. Dies ist also eine Art biophysikalischer Beweis dafür, dass es tatsächlich diesen sehr engen Zusammenhang zwischen Kanälen und Ausschüttungsorten gibt. Und dass die Signalgebung hier sehr lokal erfolgt. Wir haben viele Schritte in diesem Zusammenhang untersucht und natürlich haben wir eine Menge weiterer Ergebnisse erzielt. Lassen Sie mich noch ein paar Worte zur Rolle des zyklischen AMP sagen. Lassen Sie mich unten anfangen. Wie ich gezeigt habe, ist Kalzium für das Auslösen der Exozytose wichtig. Im Sinne von Molekülen geschieht dies durch sogenannte SNARE-Proteine, spezifische Moleküle, die sich in der präsynaptischen Endigung befinden, und von denen man glaubt, dass Sie einen Komplex bilden, um Vesikel und Membran zu verbinden. Und dann vermutlich mit einem kalziumbindenden Protein namens Synaptotagmin zu interagieren, um diese schnelle Antwort zu induzieren. Wir betrachteten die Rolle des zyklischen AMP genauer und fanden heraus, dass dieser Auslöseschritt, dieser sehr schnelle Vorgang immun war gegen alle Modulationen durch zyklisches AMP oder andere Dinge. Daher scheint es, dass in diesem letzten Auslöseschritt nur Kalzium eine Rolle spielt. Im vorausgehenden Schritt der Bildung dieser molekularen Maschinerie jedoch, vermutlich auch beim Transport der Vesikel an die richtige Stelle, gibt es zwei Akteure. Einerseits spielt Kalzium noch eine andere Rolle, die in einer sehr viel langsameren Zeitskala zum Tragen kommt, durch Calmodulin. Und dann die Rolle des zyklischen AMP, vermutlich durch einen cAMP-abhängigen Nukleotidaustauschfaktor vermittelt. Die beiden müssen zusammenarbeiten, um etwas zu erreichen, was als Priming bezeichnet wird, und was sich auf einen letzten biochemischen Schritt bezieht, um ein Vesikel sekretionsbereit zu machen. Außerdem betrachteten wir in einer Reihe anderer Untersuchungen die Rolle eines kinase-abhängigen Vorgangs und konnten zeigen, dass die Phosphorylierung eines dieser sogenannten SNARE-Proteine, eines Proteins namens SNAP25, bei dieser Priming-Reaktion tatsächlich wichtig ist. Und wieder fanden wir heraus, dass die Phosphorylierung dieser Moleküle den Auslöseschritt nicht beeinflusst, sondern nur diesen Priming-Schritt. Und all diese Arbeit wurde natürlich nicht von mir selbst geleistet, sondern von jungen Forschern im Labor, Takeshi Sakaba, einem Post-Doktoranden aus Japan, Ralf Schneggenburger, der jetzt Professor in Luzern in der Schweiz ist, Nobutake Hosoi, der jetzt ein Post-Doktorand im Labor ist, Felix Felmy, der seine Doktorarbeit über diesen Vorgang schrieb. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.


Synaptic transmission is one of the main signaling mechanisms in the central nervous system. Synapses are the contact points between neurons and it is the signal flow across these junctions, which underlies the various information processing tasks, that our brain can fulfill. Unlike the digital computer, these connections among the computational elements, are not fixed in their strength. Rather, they undergo dynamic changes as they are used. In other words: The circuits of our brain are constantly rewired as information flows through the system. This phenomena is called ‘synaptic plasticity‘ and is believed to be essential for the mode of operation.

Synaptic transmission, i.e. the signal transfer from one neuron to the next, is a 2-step process. Electrical activity in the sending neuron releases a chemical message, the so-called neurotransmitter, which is stored in vesicles in the nerve terminal. The neurotransmitter then diffuses to the ‘receiving neuron‘, where it elicits electrical signal. It has been known since the work of Katz and collaborators in the early 50s, that an increase in intracellular Ca++ concentration ([Ca++]) in the ‘sending‘ nerve terminal is the immediate trigger for the release of the neurotransmitter. Later work has shown that next to Ca++ many other signaling pathways, particularly via cAMP, modulate the release of the neurotransmitter. These ‘modulatory‘ effects are central to the process of ‘synaptic plasticity‘. Similar molecular mechanisms are also responsible for the release of hormones from neuroendocrine cells.

Regulated release or secretion is a multistep process; the signaling pathways involved act at many stages and the question arises, which particular step is affected by one or the other of the common second messengers. Biochemical and traditional electrophysiological techniques very often cannot dissociate between signaling actions on ion channels, vesicle trafficking, and the secretory process itself. We have made an effort to dissect the stimulus secretion pathway by developing assays in chromaffin cells (for adrenaline release) and at a glutamatergic central nervous synapse (the Calyx of Held), which allow us to study secretion in single cells under voltage clamp conditions. This enables us to clearly distinguish between influences on electrical signaling from those on the processes of recruitment of vesicles and on the process of exocytosis. Our approach confirms that an increase in [Ca++] triggers neurotransmitter release and provides quantitative information about the spatial and temporal aspects of this Ca++-signal. Surprisingly, other modulatory signals, such as those mediated by cAMP do not influence this step, but rather enhance the ‘recruitment‘ of transmitter-filled vesicles, making them ready for release.