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3D-Modell der Synapsen im menschlichen Gehirn

Seit vielen Jahren verfolgt Joachim Lübke das Ziel, hochaufgelöste 3D-Modelle der Synapsen im menschlichen Gehirn zu erstellen. Die winzigen Kontakte zwischen Nervenzellen ließen sich lange Zeit nur im Tiermodell untersuchen. Nun hat er gemeinsam mit seinem Team die ersten quantifizierbaren Modelle von Synapsen in der menschlichen Großhirnrinde veröffentlicht. Es zeigte sich: zwischen Mensch und Tier, aber auch zwischen Mann und Frau gibt es neben Gemeinsamkeiten auch deutliche Unterschiede.

Prof. Dr. Joachim LübkeProf. Dr. Joachim Lübke
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

„Eine der großen Fragen der heutigen Forschung an Synapsen ist, ob sich die Ergebnisse, die tierexperimentell gewonnen wurden und werden, eins zu eins auf den Menschen übertragen lassen. Denn das meiste, was wir über Synapsen wissen, stammt aus Studien an verschiedenen Tiermodellen und Tierspezies“, erklärt Professor Joachim Lübke vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-10).

Die Kontakte, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren, sind Schlüsselelemente der Informationsübertragung. Sie sind so winzig, dass sie sich nicht mehr mit dem Licht-, sondern nur noch mit dem Elektronenmikroskop en détail abbilden lassen. Ihr Durchmesser beträgt im Schnitt gerade einmal einige wenige tausendstel Millimeter. Rund 100 Billionen dieser Schaltstellen befinden sich im Gehirn eines menschlichen Erwachsenen. Zum Vergleich: Wäre eine Synapse so groß wie ein Stecknadelkopf, würden alle zusammen 50 lange Güterzüge füllen. Viele Forscher gehen heute davon aus, dass in dieser großen Anzahl an Verbindungen das Geheimnis für die erstaunliche Vielfältigkeit und Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns steckt.

Perfekte Form

Die Forscher in Joachim Lübkes Arbeitsgruppe „Struktur von Synapsen“ gehen noch einen Schritt weiter. Sie wollen die Struktur einzelner Synapsen bis ins kleinste Detail erfassen. „Die hochauflösende Untersuchung dieser winzigen Schaltstellen ist ein zeit- und arbeitsintensiver Prozess, der aber am Ende zu neuen, grundlegenden Erkenntnissen über diese Strukturen im gesunden und erkrankten Gehirn führt“, ist Joachim Lübke überzeugt.

Synapsen sind zwar immer aus nahezu gleichen Komponenten aufgebaut. Doch die Zusammensetzung, Größe und Anzahl dieser Komponenten hat einen entscheidenden Einfluss auf die Funktion. „Wenn man Synapsen aus verschiedenen Gehirnregionen und Schichten des Gehirns oder sogar von verschiedenen Spezies vergleicht, stößt man auf frappierende Unterschiede. Synapsen bilden sich vermutlich nicht einfach irgendwie aus, sondern sind in ihrem Aufbau perfekt an ihre jeweilige Aufgabe in einem gegebenen Netzwerk des Gehirns angepasst,“ erklärt Joachim Lübke.

Signalübertragung an einer Synapse

Signalübertragung an einer Synapse. Ein Teil der Nervenzelle, die ein Signal aussendet, endet in einem präsynaptischen Element (Bouton), das einige hundert bis tausende synaptische Bläschen (Vesikel) enthält, gefüllt mit Botenstoffen (Neurotransmitter). Bei der Signalübertragung fusionieren diese Vesikel mit der Zellmembran und setzen gezielt kleine Mengen des Neurotransmitters in den synaptischen Spalt frei. Auf der anderen (postsynaptischen) Seite docken die ausgeschütteten Neurotransmittemoleküle an speziellen Neurotransmitter-Rezeptoren der empfangenden Nervenelle an und werden dort aufgearbeitet, umgewandelt und das daraus resultierende Signal weitergeleitet.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Möglicher Ansatz für neue Therapien

Wenn Signale im Gehirn fehlerhaft übertragen werden, können die Folgen gravierend sein. Alle neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen wie z. B. Schizophrenie, Autismus, Morbus Alzheimer und Morbus Parkinson lassen sich letztlich auf massive „krankhafte“ Veränderungen von Synapsen zurückführen. Und aufgrund der Alterung der Bevölkerung nimmt die Verbreitung dieser Krankheiten beständig zu.

Neue, grundlegende Erkenntnisse zur Struktur von Synapsen könnten einen Ansatz für zukünftige Therapien liefern. Doch noch ist einige Vorarbeit nötig. „Um krankhafte Veränderungen von Synapsen zu verstehen, ist es zwingend notwendig, erst einmal den „Normalzustand“ zu kennen. Momentan sind wir immer noch weit davon entfernt, wirklich zu begreifen, wie Struktur und Funktion von Synapsen zusammenhängen“, konstatiert Joachim Lübke.

„Die meisten Synapsen des Gehirns sind mit einer Größe von wenigen Mikrometern so klein, dass eine direkte elektrophysiologische Messung auf absehbare Zeit undenkbar sein dürfte. Aber man kann ein quantifizierbares Modell erstellen, und dann in Computersimulationen gezielt bestimmte synaptische Parameter im normalen und erkrankten Gehirn testen", erklärt der Jülicher Hirnforscher.

Mit der Held’schen Calyx fing alles an

Die Idee einer Modell-Synapse im Gehirn geht noch auf die Zusammenarbeit von Joachim Lübke mit der Arbeitsgruppe um Bert Sakmann zurück. Der Mediziner hatte 1991 zusammen mit Erwin Neher den Nobelpreis für die Entwicklung und den Einsatz der Patch-Clamp-Methode erhalten, mit der sich elektrische Ströme in biologischen Zellen sehr differenziert messen lassen. Kurz nach der Jahrtausendwende gelang es Joachim Lübke, Bert Sakmann und Mitarbeitern, ein erstes dreidimensionales, hochaufgelöstes und quantifizierbares Modell der nach ihrem Entdecker benannten „Held’schen Calyx“ zu erstellen. Es handelt sich dabei um eine wichtige Schaltstelle, die in der Hörbahn verschiedenster Tierarten wie auch des Menschen zu finden ist. Die Synapse ist die mit Abstand größte im gesamten Nervensystem und mit einem Durchmesser von 20 bis 30 Mikrometern rund 3.000-mal größer als die Mehrzahl der Synapsen im Gehirn.

Held’sche Calyx3D-Rekonstruktion der Held’schen Calyx (links, gelb markiert), die über ca. 600 aktive Zonen (Neurotransmitter-Freisetzungsstellen) verfügt, und des postsynaptischen Prinzipalneurons (rechts, blau markiert)
Copyright: Journal of Neuroscience, Sätzler et al., DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-24-10567.2002 (Copyright 2002 Society for Neuroscience)

Der Traum, aus der Held‘schen Calyx eine allgemein gültige Modell-Synapse abzuleiten, war jedoch nur von kurzer Dauer; es zeigte sich: Die Riesensynapse ist eher die Ausnahme als die Regel und auf die speziellen Anforderungen des Hörens zugeschnitten. Nachfolgende Untersuchungen unterstrichen, wie vielfältig synaptischer Strukturen in unterschiedlichen Netzwerken des Gehirns beschaffen sind; beispielsweise am Moosfaserbouton, einer Synapse, die in Lern- und Gedächtnisprozesse eingebunden ist. Es wird daher nicht nur ein einziges, sondern eine Vielzahl von Synapsen-Modellen benötigt, je nachdem, für welchen Hirnbereich man sich interessiert.

Vom Tier zum Menschen

Und es gibt noch ein anderes Problem. Praktisch alle bisherigen Erkenntnisse über die Struktur von Synapsen beruhen auf Befunden im Tiermodell. Auch Joachim Lübke und Bert Sakmann hatten die Held‘sche Calyx in jahrelanger Arbeit aus ultradünnen Gewebeschnitten einer Ratte rekonstruiert. Inwiefern die Erkenntnisse auf Synapsen des Menschen zutreffen, konnte zum damaligen Zeitpunkt niemand sagen.

„Spender-Gehirne von Verstorbenen, sogenannte 'post mortem Gehirne', die üblicherweise für Strukturuntersuchungen verwendet werden, haben einen entscheidenden Nachteil: Es vergeht unheimlich viel Zeit vom Zeitpunkt des Versterbens eines Spenders, bis zu dem Zeitpunkt, an dem Gehirne durch einen Neuropathologen entnommen werden können. In dieser Zeit erfahren die ultrafeinen Strukturen des Gehirns einen massiven Wandel, der zu einem dramatischen Qualitätsverlust führt, zumindest auf dem zellulären und subzellulären Niveau. Daher sind „post mortem“ Gehirne für unsere Untersuchungen zur Synapsenstruktur leider nicht geeignet“, sagt Joachim Lübke.

Ein Durchbruch gelang ihm und seinem Team vor ungefähr acht Jahren. Damals konnten sie das Universitätskrankenhaus in Bonn und später in Bochum als Kooperationspartner gewinnen. Die dortigen Neurochirurgen halfen ihnen, an frische Gewebeproben für ihre Forschung zu gelangen.

EM-PräparateFür die elektronenmikroskopische Untersuchung werden ca. 50 Nanometer dicke Ultradünnschnitte auf Kupferträgern von etwa einem halben Millimeter Durchmesser aufgebracht.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Die Proben stammen von Tumor-Patienten, die operiert werden, oder Menschen, die unter Epilepsie leiden. Wenn keine Chemotherapie oder Medikamente mehr helfen, ist der chirurgische Eingriff die einzige Möglichkeit, die erkrankten Teile des Gehirns zu entfernen. Bei der Epilepsie-Chirurgie wird zunächst der epileptische Fokus bestimmt. Sind tieferliegende Gehirnstrukturen wie der Hippocampus betroffen, wird zuerst das darüber liegende Gewebe der Großhirnrinde gezielt entfernt, um einen Zugang zu schaffen. Dieses entnommene Gewebe kann Joachim Lübke – bei Einwilligung des Patienten – für seine Forschung nutzen.

„Wenn jemand operiert wird, bekomme ich Bescheid. Ich fahre dann nach Bochum mit meinem ganzen Set von Chemikalien, die für die elektronenmikroskopische Aufarbeitung des Biopsie-Materials notwendig sind. Das heißt, wenn der Schädel eröffnet und das Zugangsgehirngewebe isoliert und abtragen wird, stehe ich praktisch daneben und das Gewebe wird dann sofort fixiert“, erzählt Joachim Lübke.

Die kortikale Kolumne im Blick

In den nächsten dreieinhalb Jahren will der Jülicher Hirnforscher nun anhand dieser Proben die synaptische Organisation einer kortikalen Kolumne im Temporallappen modellhaft abbilden, und zwar Schicht für Schicht über alle sechs Schichten der Großhirnrinde hinweg. Der Temporallappen ist eine multifunktionelle Hirnregion, die eine wichtige Rolle für unterschiedlichste Sinneswahrnehmungen spielt. Sie wird unter anderem mit dem Hören und Sehen, aber auch mit Lern- und Gedächtnisprozessen in Verbindung gebracht.
Eine kortikale Kolumne ist das kleinste funktionelle Modul in allen sensorischen Arealen, das sich typischerweise über alle Schichten erstreckt. Nach der Erforschung im gesunden Gewebe will Joachim Lübke die Strukturen im krankhaft veränderten Neocortex und Hippocampus des Menschen untersuchen – also in Bereichen, die bei bestimmten Formen der Epilepsie im Fokus stehen.

3D-Rekonstruktion Am Computer werden elektronenmikroskopische Bildserien aus teils über hundert Einzelaufnahmen virtuell zu einem 3D-Modell zusammengesetzt.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Zwei dieser kortikalen Schichten – die Schichten 4 und 5 – haben er und sein Team bereits im gesunden Gewebe analysiert und aus Hunderten rekonstruierten Synapsen repräsentative quantitative 3D-Modelle erstellt. Die Ergebnisse wurden in den renommierten Fachzeitschriften Cerebral Cortex und eLife, sowie in einem Übersichtsartikel in Neuroforum Ende letzten Jahres veröffentlicht.

Elementare Abweichungen

„Ein überraschendes Ergebnis war, dass sich Synapsen in der Großhirnrinde des Menschen neben einigen Gemeinsamkeiten in einigen strukturellen Parametern wesentlich von ihren „Verwandten“ im Tiermodell unterscheiden. In den Hirnbereichen, die wir bisher untersucht haben, sind die aktiven Zonen, die für die Signalübertragung entscheidend sind, beim Menschen ungefähr doppelt so groß wie zum Beispiel bei einer Ratte oder Maus. Auch die Pools synaptischer Vesikel – kleine, mit Neurotransmittern gefüllte Bläschen – sind zum Teil fünfmal größer als im Tiermodell“, erklärt Joachim Lübke.

Vergleich von synaptischen Komplexen Vergleich von synaptischen Komplexen im humanen und murinen (Maus) Neocortex: (A) Elektronenmikroskopisches Einzelbild durch Schicht 4 des Neocortex im Temporallappen des Menschen (gelb: synaptischer Bouton, blau: dendritischer Spine, rot: aktive Zone, grün: synaptische Vesikel). (B) 3D-Volumenrekonstruktion des in A gezeigten synaptischen Komplexes. (C) Elektronenmikroskopisches Einzelbild durch den Neocortex einer Maus. (D) Korrespondierende 3D-Volumenrekonstruktion. In B, D ist zur besseren Visualisierung die Form und Größe der aktive Zone bei höherer Vergrößerung wiedergegeben. Scalierung A-D 0.5 µm.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Dazu kommt: Auch die Synapsen verschiedener Schichten unterscheiden sich offenbar elementar. Das zeigen die Ergebnisse des Teams um Joachim Lübkes repräsentativer Analyse. Die vierte Schicht wird gemeinhin als kortikale Eingangsschicht angesehen, die Signale aus der sensorischen Peripherie empfängt, also etwa vom Hör- oder Sehnerv, und innerhalb der kortikalen Kolumne weiterleitet. Die fünfte Schicht gilt dagegen als wichtigste Ausgangsschicht, von der aus Signale in die sensorische Peripherie über große Distanzen weitergeleitet werden.

Entsprechend unterschiedlich fällt auch die Struktur von Synapsen aus, wie die Forscher nun zeigen konnten. So sind die Synapsen der vierten Schicht zwar deutlich kleiner als die der fünften, doch die aktiven Zonen, in denen die Botenstoffe freigesetzt werden, sind mehr als doppelt so groß. Gleichzeitig weisen Synapsen der vierten Schicht deutlich mehr schnell verfügbare Vesikel mit Botenstoffen in der Nähe der aktiven Zone auf, woraus sich ein unterschiedliches Verhalten bei der Signalübertragung ableiten lässt.

„Offensichtlich haben die Synapsen der vierten Schicht bessere Übertragungseigenschaften und stellen somit „Verstärker“ oder auch „Diskriminatoren“ – also eine Art Filter – sensorischer Signale dar, die sie in andere Schichten innerhalb der kortikalen Kolumne weiterleiten. Die Synapsen in der fünften Schicht sammeln und integrieren dagegen Signale über kortikale Kolumnen hinweg und geben diese dann zurück an die sensorische Peripherie weiter“, erklärt Joachim Lübke.

Unterschied zwischen Mann und Frau

Und nicht nur zwischen verschiedenen Schichten, auch zwischen den Geschlechtern gibt es Unterschiede. Schon seit längerem gibt es Anzeichen dafür, dass die Gehirne von Frauen im Schnitt nicht so voluminös, dafür aber dichter vernetzt sind als die von Männern. Beobachtungen von Joachim Lübke und seinem Team zur Synapsendichte liefern nun einen weiteren Beleg für diese These zumindest für die bisher untersuchten Schichten. Sie fanden heraus, dass die Synapsen in der Großhirnrinde von Frauen zweieinhalbmal dichter gepackt sind als in der von Männern.

„Diese Ergebnisse legen nahe, dass Frauen offensichtlich bessere sprachliche Leistungen erbringen können. Denn der Temporallappen ist auch in die Speicher- und Sprachverarbeitung und das Sprachverständnis involviert“, sagt Joachim Lübke.

Tobias Schlößer

ORIGINALPUBLIKATIONEN


Joachim H. R. Lübke, Astrid Rollenhagen
Synapses: Multitasking Global Players in the Brain
Neuroforum (5 December 2019), doi: https://doi.org/10.1515/nf-2019-0015


Rachida Yakoubi, Astrid Rollenhagen, Marec von Lehe, Dorothea Miller, Bernd Walkenfort, Mike Hasenberg, Kurt Sätzler, Joachim HR Lübke
Ultrastructural heterogeneity of layer 4 excitatory synaptic boutons in the adult human temporal lobe neocortex
eLIFE (20 November 2019), doi: https://doi.org/10.7554/eLife.48373


Astrid Rollenhagen, Ora Ohana, Kurt Sätzler, Claus C. Hilgetag, Dietmar Kuhl, Joachim H. R. Lübke
Structural Properties of Synaptic Transmission and Temporal Dynamics at Excitatory Layer 5B Synapses in the Adult Rat Somatosensory Cortex
Front. Synaptic Neurosci. (30 July 2018), doi: https://doi.org/10.3389/fnsyn.2018.00024


Rachida Yakoubi, Astrid Rollenhagen, Marec von Lehe, Yachao Shao, Kurt Sätzler, Joachim H R Lübke
Quantitative Three-Dimensional Reconstructions of Excitatory Synaptic Boutons in Layer 5 of the Adult Human Temporal Lobe Neocortex: A Fine-Scale Electron Microscopic Analysis
Cerebral Cortex (21 Juni 2018), doi: https://doi.org/10.1093/cercor/bhy146


Astrid Rollenhagen, Kerstin Klook, Kurt Sätzler, Guanxiao Qi, Max Anstotz, Dirk Feldmeyer, Joachim H.R. Lübke
Structural determinants underlying the high efficacy of synaptic transmission and plasticity at synaptic boutons in layer 4 of the adult rat ‘barrel cortex’
Brain Structure and Function (26 November 2015), doi: https://doi.org/10.1007/s00429-014-0850-5


Rollenhagen A1, Sätzler K, Rodríguez EP, Jonas P, Frotscher M, Lübke JH.
Structural determinants of transmission at large hippocampal mossy fiber synapses
Journal of Neuroscience (26 September 2007), doi: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1946-07.2007


Kurt Sätzler, Leander F. Söhl, Johann H. Bollmann, J. Gerard G. Borst, Michael Frotscher, Bert Sakmann, Joachim H. R. Lübke
Three-Dimensional Reconstruction of a Calyx of Held and Its Postsynaptic Principal Neuron in the Medial Nucleus of the Trapezoid Body
Journal of Neuroscience (15 December 2002), doi: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-24-10567.2002