Untersuchungen zur Glutamatfreisetzung an einer kortikalen Synapse mit präsynaptischen Kapazitätsmessungen
Änderungen synaptischer Stärke werden als grundlegend für bestimmte Formen des Lernens und der Gedächtnisbildung erachtet. In welchem Ausmaß diese plastischen Änderungen präsynaptisch stattfinden und welche Mechanismen an der Transmitterfreisetzung beteiligt sind, ist mit Methoden, die die Reaktion der postsynaptischen Zellen messen, schwierig zu untersuchen. Mit der Patch-Clamp-Technik kann ein direkter experimenteller Zugang zu präsynaptischen Boutons hippokampaler Moosfasersynapsen in Gehirnschnitten der Ratte hergestellt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden diese ungewöhnlich plastischen Synapsen des Kortex genutzt, um die Freisetzung des erregenden Transmitters Glutamat direkt präsynaptisch zu untersuchen. Hierfür wurden erstmals an kortikalen Synapsen präsynaptische Kapazitätsmessungen durchgeführt. Die Vesikelverschmelzung (sog. Exozytose), die zur Freisetzung des Transmitters führt, konnte in diesen Messungen als Kapazitätserhöhung detektiert werden. Bisher wurde davon ausgegangen, dass quantitative Kapazitätsmessungen an kortikalen präsynaptischen Boutons wegen der komplexen morphologischen Struktur kaum möglich seien. Deshalb wurden verschiedene Techniken der Kapazitätsmessung an Moosfaserboutons analysiert. Es zeigte sich, dass Exozytose mit einer hochfrequenten (5 kHz) Sinuswellenanregung mit hoher zeitlicher Auflösung, räumlich äußerst spezifisch und mit einer Genauigkeit von >90% bestimmt werden kann. Exozytose wurde durch Spannungspulse ausgelöst, die zu präsynaptischem Kalziumeinstrom und zu großen Kapazitätssignalen führten. Der durch Spannungspulse ausgelöste mittlere maximale Kapazitätsanstieg lag bei 100 Femtofarad (fF), was einem Vorrat von etwa 1400 fusionsbereiten Vesikeln entspricht. Bezogen auf seine Größe kann der hippokampale Moosfaserbouton daher über einen großen Vorrat an fusionsbereiten Vesikeln verfügen. Außerdem zeigte sich, dass die Kinetik der Exozytose und der Vesikelwiederaufnahme (sog. Endozytose) schneller als bei den meisten nicht-kortikalen Synapsen war. Der große Vorrat an Vesikeln könnte zusammen mit dem schnellen Vesikelzyklus Grundlage des außergewöhnlichen Ausmaßes der aktivitätsabhängigen Änderung der Übertragungsstärke an dieser Synapse sein.
synapse, hippocampus, synaptic vesicle, exocytsis, capacitance, neurotransmitter
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