Funktionsprinzipien von Synapsen

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1 Funktionsprinzipien von Synapsen Andreas Draguhn

2 Aufbau Transmitter und präsynaptische Vesikel Postsynaptische Rezeptoren Funktion einzelner Synapsen Prinzipien der Informationsverarbeitung: i - ii - iii - Summation Hemmung und Erregung Plastizität von Synapsen (Ausblick)

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6 Aufbau Transmitter und präsynaptische Vesikel Postsynaptische Rezeptoren Funktion einzelner Synapsen Prinzipien der Informationsverarbeitung: i - ii - iii - Summation Hemmung und Erregung Plastizität von Synapsen (Ausblick)

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8 Das Dalesche Prinzip : eine Zelle ein Transmitter - Gute Merkregel - Gilt angenähert für SSV (small synaptic vesicles) -Umfasst nicht LDCV (large denses core vesicles mit Neuromodulatoren) Sir Henry Dale Nobelpreis 1936

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11 Ca 2+ -abhängige Freisetzung

12 Der Vesikelzyklus Readily releasable pool reserve pool

13 Aufbau Transmitter und präsynaptische Vesikel Postsynaptische Rezeptoren Funktion einzelner Synapsen Prinzipien der Informationsverarbeitung: i - ii - iii - Summation Hemmung und Erregung Plastizität von Synapsen (Ausblick)

14 Postsynaptische Rezeptoren Grundtypen: Ionenkanäle und GPCR

15 Porenbildende Proteine gating : E M oder Liganden passive Leitung des Stroms! Ionenselektivität Hemmung / Erregung Calcium-Einstrom

16 Untersuchung des Verhaltens einzelner Ionenkanäle mit Hilfe der patch clamp Technik B. Sakmann aus Neuron Vol. 25, S1 S55, 2000, Cell Press Erwin Neher Nobelpreis 1991 Bert Sakmann Nobelpreis 1991

17 Molekulare Physiologie der Ionenkanäle (1): Struktur-Funktions-Beziehungen Untereinheit mit Transmembrandomänen Schnitt durch die Achbindenden Untereinheiten Rezeptor als Ganzes aus fünf Untereinheiten

18 Molekulare Physiologie der Ionenkanäle (2): Genfamilien

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20 Diversity of G Protein-Coupled Receptor Signal Signal Transduction Pathways SIGMA-ALDRICH

21 Aufbau Transmitter und präsynaptische Vesikel Postsynaptische Rezeptoren Funktion einzelner Synapsen Prinzipien der Informationsverarbeitung: i - ii - iii - Summation Hemmung und Erregung Plastizität von Synapsen (Ausblick)

22 Quanten

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25 Die nmj ist ein Schalter hier wird nicht verrechnet

26 Beendigung synaptischer Potentiale: Cholinesterase (CHE)

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28 Aufbau Transmitter und präsynaptische Vesikel Postsynaptische Rezeptoren Funktion einzelner Synapsen Prinzipien der Informationsverarbeitung: i - ii - iii - Summation Hemmung und Erregung Plastizität von Synapsen (Ausblick)

29 Mehrere tausend (bis x*10 4 ) Synapsen enden an einzelnen Neuronen Unterschiedliche Transmitter, Lokalisation und Effizienz Überlagerung der Eingänge Informationsverarbeitung

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31 Summation zeitlich räumlich

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33 synaptische Hemmung

34 Alle ZNS-Kerne enthalten inhibitorische (Inter)-Neurone Kandel, Schwartz, Jessel Principles of Neural Science McGraw-Hill,

35 Ohne Inhibition führt die positive Rückkopplung in hochvernetzten Kerngebieten zur Epilepsie

36 GABA-A-Rezeptoren leiten selektiv Cl - GABA-B-Rezeptoren erhöhen g K+

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38 Fokale Epilepsien Kandel, Schwartz, Jessel Principles of Neural Science McGraw-Hill,

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40 Potenzierung von GABA A R

41 Blockade des GABA-uptake Na+ Na +

42 Hemmung des GABA-Katabolismus

43 Negatives feedback durch präsynaptische (Auto)-Rezeptoren

44 Aufbau Transmitter und präsynaptische Vesikel Postsynaptische Rezeptoren Funktion einzelner Synapsen Prinzipien der Informationsverarbeitung: i - ii - iii - Summation Hemmung und Erregung Plastizität von Synapsen (Ausblick)

45 Zeitabhängiges Verhalten von Synapsen Bahnung (Facilitation) Depression

46 Mechanismen 1. Grösse des Vesikel-Pools und Freisetzungswahrscheinlichkeit 2. Rest-Kalzium (besonders nach Tetani = posttetanische Potenzierung)

47 Langzeitpotenzierung (LTP) Bliss, T.V.P., and Lømo, T. (1973). Long lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path. J. Physiol. 232,

48 Langzeitpotenzierung (LTP)

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50 Der NMDA-Rezeptor: ein molekularer Koinzidenz-Detektor Öffnen nur bei Vor-Depolarisierung Ca2+-permeabel

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54 gating Gap junctions werden geöffnet durch i) Ca 2+ ii) ph iii) verschiedene Transmitter / Hormone

55 Beispiele für elektrische Kopplung: i) glatte Muskulatur (single unit-typ) ii) Herzmuskulatur iii) Gliazellen iv) Neurone, besonders im unreifen NS

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57 Schematic Representation of the GABA B Receptor Receptor SIGMA-ALDRICH

58 Mechanismen synaptischer Plastizität: Einfache nicht-assoziative Gedächtnisprozesse i- Bahnung, Depression und posttetanische Potentizierung ii- Habituierung und Sensitisierung Assoziative Mechanismen i- Die Hebb-Regel ii- klassische Konditionierung in Aplysia Iii- LTP und LTD Langfristige Engramme: i- Entwicklung und Lernen ii- Kortikale Plastizität

59 Markram Faczili versus Depress

60 Einfache nicht-assoziative Mechanismen: Habituierung und Sensitisierung

61 Effekte von 5-HT: K+-Leitfähigkeit Ca 2+ -Leitfähigkeit Vesikel-Exocytose (PKA) (PKC, PKA) (MAPK)

62 Mechanismen synaptischer Plastizität: Einfache nicht-assoziative Gedächtnisprozesse i- Bahnung, Depression und posttetanische Potentizierung ii- Habituierung und Sensitisierung Assoziative Mechanismen i- Die Hebb-Regel ii- LTP und LTD Langfristige Engramme: i- Entwicklung und Lernen ii- Kortikale Plastizität

63 Donald O. Hebb When an axon of cell A is near enough to excite a cell B and repeatedly or persistently takes part in firing it, some growth process or metabolic change takes place in one or both cells such that A s efficiency, as one of the cells firing B, is increased. Koinzidenz!

64 Klassische Konditionierung

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66 Eigenschaften von LTP Kooperativ grosser Effekt bei gleichzeitiger Aktivierung vieler Synapsen Assoziativ Gleichzeitige aktivierte Pfade werden gleich verändert Spezifisch nur die Synapsen werden stimuliert, die während der Induktion von LTP aktiv waren

67 Effekte von LTP Erhöhung der Wahrscheinlichkeit von Exozytose (prä) Erhöhung der postsynaptischen Rezeptoraktivität (post) Einbau von Rezeptoren (post) Extremfall: silent synapses Neubildung / Stabilisierung von Synapsen Veränderungen in Schaltkreisen (Netzwerken)

68 LTP oder LTD? Timing Ca 2+ -Konzentration Vorgeschichte (Metaplastizität)

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