Forscher haben einen neuen Mechanismus der Neuroplastizität entdeckt, der mit Lernen und Gedächtnis in Zusammenhang steht

Neuronen sind wichtig, aber sie sind nicht die einzigen Akteure in diesem Prozess. Tatsächlich ist es der „Knorpel“, Ansammlungen extrazellulärer Matrixmoleküle, sogenannte Chondroitinsulfate, die sich an der Außenseite von Nervenzellen befinden und eine Schlüsselrolle bei der Fähigkeit des Gehirns spielen, Informationen aufzunehmen und zu speichern.

Die im Journal Cell Reports veröffentlichte Studie beschreibt einen neuen Mechanismus der Plastizität des Gehirns, also wie sich neuronale Verbindungen als Reaktion auf äußere Reize verändern. Der Titel des Artikels lautet „Fokale peri-synaptische Matrixcluster fördern aktivitätsabhängige Plastizität und Gedächtnis bei Mäusen.“

Diese Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der Harvard Medical School, der Universität Trient und dem Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in Magdeburg.

„Sensorische Fähigkeiten und die Fähigkeit, unsere Umwelt zu verstehen, hängen von der Aktivität des Gehirns ab, die es uns ermöglicht, Reize aus der Außenwelt wahrzunehmen und zu verarbeiten. Durch unser Gehirn sind wir in der Lage, neue Informationen aufzunehmen und zu speichern sowie uns an Informationen zu erinnern, die wir bereits gelernt haben“, sagen Yuri Bozzi und Gabriele Chelini.

„Dieses faszinierende Phänomen wird durch die Fähigkeit des Gehirns ermöglicht, die Struktur und Wirksamkeit neuronaler Verbindungen (Synapsen) als Reaktion auf äußere Reize kontinuierlich zu verändern. Diese Fähigkeit wird als synaptische Plastizität bezeichnet. Zu verstehen, wie synaptische Veränderungen auftreten und wie sie zu Lernen und Gedächtnis beitragen, ist eine der Hauptaufgaben von Neurobiologie."

Yuri Bozzi ist Professor an der Universität Trient und Co-Leitautor des Artikels. Gabriele Chelini ist Erstautor der Studie. Celini begann 2017 als Postdoktorand im Labor von Sabina Berretta (McLean Hospital und Harvard Medical School, Boston) mit der Arbeit an diesem Projekt und schloss die wissenschaftliche Veröffentlichung ab, während er als Postdoktorand in Bozzis Labor an der Universität Trient arbeitete.

Die Studie konzentriert sich auf Chondroitinsulfate, Moleküle, die für ihre Rolle in Gelenken bekannt sind und auch eine wichtige Funktion bei der Plastizität des Gehirns spielen, da sie ein integraler Bestandteil der extrazellulären Matrix des Gehirns sind, wie ursprünglich von der Gruppe von Dr. Alexander Dityatev im Jahr 2001 entdeckt.

Im Jahr 2007 beschrieb eine japanische Studie das Vorhandensein runder Cluster von Chondroitinsulfaten, die scheinbar zufällig im Gehirn verstreut sind. Diese Arbeit geriet jedoch in Vergessenheit, bis Sabine Berrettas Labor für translationale Neurobiologie diese Strukturen wieder ins Bewusstsein der wissenschaftlichen Gemeinschaft rückte, sie in CS-6-Cluster umbenannte (für Chondroitinsulfat-6, das ihre genaue molekulare Zusammensetzung bezeichnet) und nachwies, dass diese Strukturen mit Gliazellen in Zusammenhang stehen und im Gehirn von Menschen mit psychotischen Störungen stark reduziert sind.

Dann, im Jahr 2017, wurde Gabriele Celini, der neu in Berrettas Labor eingestellt wurde, damit beauftragt, die Funktion dieser Cluster aufzudecken.

„Wir haben diese Strukturen zunächst im Detail untersucht und sie mit sehr hoher Auflösung abgebildet. Dabei stellten wir fest, dass es sich im Wesentlichen um Synapsencluster handelt, die mit CS-6 beschichtet und in einer klar erkennbaren geometrischen Form angeordnet sind. Dann haben wir eine neue Art der synaptischen Organisation identifiziert“, sagen die Wissenschaftler.

„An diesem Punkt mussten wir etwas ‚experimentelle Kreativität‘ an den Tag legen; durch eine Kombination aus verhaltensbezogenen, molekularen und ausgefeilten morphologischen Ansätzen stellten wir fest, dass sich diese in CS-6-Clustern eingekapselten Verbindungen als Reaktion auf elektrische Aktivität im Gehirn verändern.“

„Dank der Zusammenarbeit mit Alexander Dityatev vom DZNE Magdeburg und der Bemühungen von Hadi Mirzapourdelawar aus seiner Gruppe konnten wir schließlich die Expression von CS-6 im Hippocampus (einer für räumliches Lernen verantwortlichen Gehirnregion) reduzieren und nachweisen, dass die Anwesenheit von CS-6 für synaptische Plastizität und räumliches Gedächtnis notwendig ist“, betonen Bozzi und Celini.

„Diese Arbeit ebnet den Weg für eine neue Sichtweise der Gehirnfunktion. Es ist möglich, dass alle auf verschiedenen Neuronen innerhalb von CS-6-Clustern gebildeten Synapsen die Fähigkeit haben, gemeinsam auf bestimmte externe Reize zu reagieren und an einer gemeinsamen Funktion teilzunehmen, die auf Lern- und Gedächtnisprozesse abzielt“, stellen sie fest.

„Sie scheinen ein neues Substrat für die Integration von Informationen und die Bildung von Assoziationen auf multizellulärer Ebene darzustellen“, fügen Dityatev und Berretta hinzu.

Diese Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen mehreren Laboren, darunter dem Translational Neurobiology Laboratory (Sabina Berretta; McLean Hospital – Harvard Medical School, Boston), das Neurodevelopmental Disorders Research Laboratory (Yuri Bozzi; CIMeC - Interdisziplinäres Zentrum für Hirnforschung, Universität Trient) und die molekulare Neuroplastizität (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).