Forscher identifizieren einen neuen Neuroplastizitätsmechanismus, der mit Lernen und Gedächtnis zusammenhängt

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

Eine in der Fachzeitschrift Cell Reports veröffentlichte Studie beschreibt einen neuen Mechanismus der Gehirnplastizität, also wie sich neuronale Verbindungen als Reaktion auf äußere Reize verändern. Der Titel der Arbeit lautet „Fokale Cluster der perisynaptischen Matrix 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 Umgebung zu verstehen, hängen von der Gehirnaktivität 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, aber auch, uns an bereits Gelerntes zu erinnern“, sagen Yuri Bozzi und Gabriele Cellini.

Dieses faszinierende Phänomen wird durch die Fähigkeit des Gehirns ermöglicht, die Struktur und Effektivität neuronaler Verbindungen (Synapsen) als Reaktion auf äußere Reize kontinuierlich zu verändern. Diese Fähigkeit wird als synaptische Plastizität bezeichnet. Zu verstehen, wie synaptische Veränderungen entstehen und wie sie zu Lernen und Gedächtnis beitragen, ist eine der größten Herausforderungen der Neurowissenschaft.

Yuri Bozzi ist Professor an der Universität Trient und Co-Leitautor der Studie. Gabriele Cellini ist Erstautor der Studie. Cellini begann 2017 als Postdoktorand im Labor von Sabina Berretta (McLean Hospital und Harvard Medical School, Boston) an diesem Projekt zu arbeiten und verfasste die wissenschaftliche Publikation während seiner Postdoktorandentätigkeit in Bozzis Labor an der Universität Trient.

Im Mittelpunkt der Studie stehen Chondroitinsulfate. Diese Moleküle sind für ihre Rolle in Gelenken bekannt und spielen auch eine wichtige Rolle bei der Plastizität des Gehirns. Sie sind ein integraler Bestandteil der extrazellulären Matrix des Gehirns, wie die Gruppe von Dr. Alexander Dityatev im Jahr 2001 entdeckte.

Im Jahr 2007 beschrieb eine japanische Studie das Vorhandensein runder Chondroitinsulfat-Cluster, die scheinbar zufällig im Gehirn verteilt waren. Die Arbeit geriet jedoch in Vergessenheit, bis Sabina Berrettas Labor für translationale Neurowissenschaften die Strukturen wieder ins Rampenlicht der Wissenschaft rückte. Es benannte sie in CS-6-Cluster um (Chondroitinsulfat-6, was ihre genaue molekulare Zusammensetzung beschreibt) und zeigte, dass die Strukturen mit Gliazellen assoziiert und im Gehirn von Menschen mit psychotischen Störungen stark reduziert sind.

Dann, im Jahr 2017, wurde Gabriele Cellini, der neu in Berrettas Labor eingestellt worden war, mit der Aufgabe betraut, 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 Cluster von CS-6-beschichteten Synapsen handelte, die eine klar erkennbare geometrische Form bildeten. Damit identifizierten wir einen neuen Typ der synaptischen Organisation“, so die Wissenschaftler.

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

„Schließlich gelang es uns dank der Zusammenarbeit mit Alexander Dityatev vom DZNE Magdeburg und den Bemühungen von Hadi Mirzapurdelawar aus seiner Gruppe, die Expression von CS-6 im Hippocampus (der für räumliches Lernen zuständigen Hirnregion) zu reduzieren und nachzuweisen, dass die Anwesenheit von CS-6 für die synaptische Plastizität und das räumliche Gedächtnis notwendig ist“, betonen Bozzi und Cellini.

„Diese Arbeit ebnet den Weg für eine neue Sichtweise auf die Gehirnfunktion. Es ist möglich, dass alle Synapsen, die auf verschiedenen Neuronen innerhalb von CS-6-Clustern gebildet werden, 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 Informationsintegration und Assoziationsbildung auf multizellulärer Ebene darzustellen“, fügen Dityatev und Berretta hinzu.

Diese Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen mehreren Laboren, darunter dem Translational Neuroscience Laboratory (Sabina Berretta; McLean Hospital – Harvard Medical School, Boston), dem Neurodevelopmental Disorders Research Laboratory (Yuri Bozzi; CIMeC – Interdisciplinary Center for Brain Science, Universität Trient) und dem Molecular Neuroplastity Laboratory (Alexander Dityatev; DZNE Magdeburg).