Studie gibt Aufschluss darüber, wie Schlaf und Wachheit hemmende Synapsen regulieren

Forscher haben im Mausmodell einen neuen Tagesrhythmus in einer Art Synapse entdeckt, die die Gehirnaktivität dämpft. Diese neuronalen Verbindungen, die als hemmende Synapsen bekannt sind, werden neu ausbalanciert, sodass wir während des Schlafs neue Informationen in langanhaltenden Erinnerungen konsolidieren können. Die in PLOS Biology veröffentlichten Ergebnisse könnten helfen zu erklären, wie subtile synaptische Veränderungen das Gedächtnis beim Menschen verbessern. Die Studie wurde von Forschern des National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) geleitet, das Teil der National Institutes of Health ist.

Die Hemmung ist für jeden Aspekt der Gehirnfunktion wichtig. Aber seit über zwei Jahrzehnten konzentrieren sich die meisten Schlafstudien darauf, erregende Synapsen zu verstehen. Dies ist die erste Studie, die versucht zu verstehen, wie Schlaf und Wachzustand hemmende Synapsen regulieren.“

Dr. Wei Lu, leitender Ermittler bei NINDS

In der Studie untersuchte Dr. Kunwei Wu, ein Postdoktorand in Dr. Lus Labor, was an hemmenden Synapsen während Schlaf und Wachzustand bei Mäusen passiert. Elektrische Aufzeichnungen von Neuronen im Hippocampus – einer Gehirnregion, die für die Gedächtnisbildung wichtig ist – zeigten ein zuvor unbeachtetes Aktivitätsmuster. Während des Wachzustands nahm die stetige „tonische“ Hemmungsaktivität zu, während die schnelle „phasische“ Hemmung abnahm. Sie fanden auch eine viel stärkere aktivitätsabhängige Verstärkung der hemmenden elektrischen Reaktionen in Neuronen von wachen Mäusen, was darauf hindeutet, dass Wachheit, aber nicht Schlaf, diese Synapsen stärker stärken könnte.

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 Neuronen, in dem Neurotransmitter diffundieren. Die Moleküle binden an GABA Typ A (GABAA)-Rezeptoren auf der Oberfläche benachbarter erregender Neuronen, wodurch sie weniger wahrscheinlich feuern.

Weitere Experimente zeigten, dass die synaptischen Veränderungen während des Wachzustands durch eine erhöhte Anzahl von α5-GABAA-Rezeptoren angetrieben wurden. Wenn die Rezeptoren bei wachen Mäusen blockiert waren, nahm die aktivitätsabhängige Verstärkung der phasischen elektrischen Reaktionen ab. Dies deutet darauf hin, dass die Akkumulation von GABAA-Rezeptoren während des Wachzustands der Schlüssel zum Aufbau stärkerer, effizienterer inhibitorischer Synapsen sein könnte, ein grundlegender Prozess, der als synaptische Plastizität bekannt ist.

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„Wenn Sie tagsüber neue Informationen lernen, werden Neuronen mit erregenden Signalen aus dem Kortex und vielen anderen Bereichen des Gehirns bombardiert. Um diese Informationen in eine Erinnerung zu überführen, müssen Sie sie zuerst regulieren und verfeinern – hier kommt die Hemmung ins Spiel “, sagte Dr. Lu.

Frühere Studien haben gezeigt, dass synaptische Veränderungen im Hippocampus durch Signale angetrieben werden können, die von hemmenden Interneuronen stammen, einem speziellen Zelltyp, der nur etwa 10-20 % der Neuronen im Gehirn ausmacht. 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 die entscheidend an der Synapsenregulation beteiligt sind.

Um zu identifizieren, welches Interneuron für die beobachtete Plastizität verantwortlich war, verwendete Dr. Lus Team Optogenetik, eine Technik, die Licht verwendet, um Zellen ein- oder auszuschalten, und stellte fest, dass Wachheit zu mehr α5-GABAA-Rezeptoren und stärkeren Verbindungen von Parvalbumin führte, aber nicht Somatostatin, Interneurone.

Menschen und Mäuse teilen ähnliche neuronale Schaltkreise, die der Gedächtnisspeicherung und anderen wesentlichen kognitiven Prozessen zugrunde liegen. Dieser Mechanismus könnte ein Weg für hemmende Eingaben sein, um die Ebbe und Flut von Informationen zwischen Neuronen und in ganzen Gehirnnetzwerken präzise zu steuern.

„Die Hemmung ist tatsächlich ziemlich mächtig, weil sie es dem Gehirn ermöglicht, auf fein abgestimmte Weise zu arbeiten, was im Wesentlichen aller Wahrnehmung zugrunde liegt“, sagte Dr. Lu.

Da die Hemmung für fast jeden Aspekt der Gehirnfunktion unerlässlich ist, könnte diese Studie dazu beitragen, Wissenschaftlern dabei zu helfen, nicht nur Schlaf-Wach-Zyklen, sondern auch neurologische Störungen zu verstehen, die auf abnormalen Gehirnrhythmen wie Epilepsie beruhen.

Für die Zukunft plant Dr. Lus Gruppe, die molekularen Grundlagen des GABAA-Rezeptortransports zu hemmenden Synapsen zu erforschen.

Diese Studie wurde teilweise durch das Intramural Research Program am NINDS unterstützt.

Quelle:

Nationales Gesundheitsinstitut

Referenz:

Wu, K., et al. (2022) Schlaf- und Wachzyklen modulieren dynamisch die hemmende synaptische Plastizität des Hippocampus. PLOS-Biologie. doi.org/10.1371/journal.pbio.3001812.

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