Erinnerungssysteme des Säugergehirns (“Memory systems”)

Präsentation zum Thema: "Erinnerungssysteme des Säugergehirns (“Memory systems”)"—  Präsentation transkript:

1 Erinnerungssysteme des Säugergehirns (“Memory systems”)
Stephan Sigrist Bio-Imaging Center/Rudolf Virchow Zentrum Inst. f.klinische Neurobiologie Universität Würzburg VL und Erinnerungssysteme des Säugergehirns (“Memory systems”) Synaptische Plastizität und Erinnerung Mechanismen - Kausalität?

2 Was bedeutet synaptische Plastizität (SP)?
Wo im Gehirn wird SP beobachtet? Welche Eigenschaften machen SP zu einem plausiblen Substrat für Lernen/Gedächtnis? Welche Hinweise liegen für eine kausale Beziehung zwischen SP und Lernen/Gedächtnis vor?

3 brain neuron synapse n = 1 10-1 m n > 1011 10-4 m n > 1014
Theoretical postulate long term changes in the performance of our nervous system Underlined by changes in synaptic comm e.g. instructive activity patterns trigger Formation elimination Thus: sequence in time and space Merge Mechanistic cell biological and molecular Sequence of synapse formation Critically needed however not achieved yet At least for glut. synapses Our approach merging in vivo observation Of molecular dynamics together In intact living animals with Functional genetics Think that also in a pathologically oriented Research could be relevant To achieve this goal we in the moment Concentrate on a in comparison simple Synaptic model Drosohila NMJ n > 1011 10-4 m adapted from Jürgen Klingauf n > 1014 10-6 m

4 adapted from Andreas Prokop

5

6 Hippokampus

7

8 Löschen von LTP (Gyrus dentate)
LTD (CA1 Hippokampus) Phänomene synaptischer Plastizität Löschen von LTP (Gyrus dentate)

9 „Klassische Eigenschaften“ von LTP:
relevant für mögliche Rolle in Lernen/Gedächtnis Persistenz - Lernen/Gedächtnis dauern länger als Induktionsphase Input-Spezifität - genügend Speicherkapazität Assoziativität, Kooperativität - Verknüpfung von Informationen

10 LTP ist persistent

11 „Klassische Eigenschaften“ von LTP:
relevant für mögliche Rolle in Lernen/Gedächtnis Persistenz - Lernen/Gedächtnis dauern länger als Induktionsphase Input-Spezifität - genügend Speicherkapazität Assoziativität, Kooperativität - Verknüpfung von Informationen

12 Or simpler: “cells that fire together wire together”

13 LTP: Input-Spezifität und Assoziativität

14 Plastizitätsmechanismen sind divers
(Eigenschaften nicht immer “klassisch”

15 Molekulare Mechanismen
synaptischer Plastizität

16 LTP: Input-Spezifität und Assoziativität

17 “ Assoziativität und der NMDA Rezeptor
“Molekularer Konizidenz-Detektor”

18 LTP Induktion kann sein:
NMDA-Rezeptor abhängig (CA1-CA3 Synapse) oder unabhängig (perforant path - DG): Spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle (VGCC)

19 Induktion von LTP: Anstieg von Ca2+
VGCC: “voltage gated Ca2+-channels” mGluR: metabotroper glutamate receptor

20 presynapse postsynapse Ca2+-channels Neurotransmitter-receptors
Transmitter vesicles presynapse postsynapse adapted from Andreas Prokop

21 Zelluläre Prozesse zur Veränderung der Synapsenstärke

22 Aufrechterhaltung der LTP:
Frühe LTP: Phosphorylierung existenter synaptischer Proteine (PKC, CamKII) Spätere LTP: dann Proteinsynthese (abhängig Translation + später auch Transkription) Induktion spätere LTP: auch PKA

23 Engert und Bonhöffer, 1997

24 Kriterien zur Beurteilung des Verhältnisses
zwischen synaptischer Plastizität und Lernen/Gedächtnis: Manipulierbarkeit Nachweisbarkeit Mimikrierbarkeit

25

26 Kriterien zur Beurteilung des Verhältnisses
zwischen synaptischer Plastizität und Lernen/Gedächtnis: Manipulierbarkeit: ja! Nachweisbarkeit Mimikrierbarkeit

27 Aber..... Verschiedene Formen von LTP (NMDA Rezeptor abhängig, unabhängig etc.) und Verschiedene Formen von Lernen/Gedächtnis in verschiedenen Hirnarealen

28

29 Nachweisbarkeit Anlegen von Gedächtnis -> Änderungen synaptischer Übertragung (Gedächtnisspur - “memory trace”? wo im Gehirn? wie groß ist Veränderung? sättigbar?

30 Erhöhung evozierter synaptischer Antworten nach
motorischem Lernen im Motorkortex Rioult-Pedotti et al., Nat. Neurosci. 1998

31 Motorisches Lernen schliesst weitere LTP weitgehend aus
und begünstigt LTD (Rioult-Pedotti et al., Science 2000)

32 Verhaltensinduzierte LTP: Angst-Konditionierung (“fear conditioning”)
(Rogan et al., 97)

33

34 Kriterien zur Beurteilung des Verhältnisses
zwischen synaptischer Plastizität und Lernen/Gedächtnis: Manipulierbarkeit: ja! Nachweisbarkeit: ja! Mimikrierbarkeit

35 Mimikry von Erinnerung: Induktion eines „zeitlich-räumlichen Muster“ von Veränderungen synaptischer Übertragung sollte „scheinbare Erinnerung“ produzieren zur Zeit noch Gedankenexperiment

36 Distributives assoziatives
Netzwerk Reflex-Netzwerk

37 Autokorrelation Nach “Lernen”: spezifische Verstärkung des Eingangsmusters

38 System speichert Erinnerung an Eingangsmuster
Erinnerung delokalisiert Eigenschaften autoassoziativer Netzwerke: Mustererkennung und Musterergänzung z.B > > (Ergänzung des gelernten Musters)

39 d.h. synaptische Plastizität (LTP) sicher notwendig
für Lernen und Gedächtnis aber auch hinreichend ??