Bausteine des Gedächtnisses: Untersuchungen der menschlichen Hippokampusfunktion in-vivo und in-vitro

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1 Bausteine des Gedächtnisses: Untersuchungen der menschlichen Hippokampusfunktion in-vivo und in-vitro Thomas Grunwald, Heinz Beck und Christian E. Elger Zusammenfassung Die Frage nach strukturellen, zellulären und molekularen Basisprozesse des menschlichen Gedächtnisses ist eine der wichtigsten Fragen der heutigen neurowissenschaftlichen Forschung. Die Untersuchung vieler Aspekte menschlicher (speziell deklarativer) Gedächtnisprozesse ist in einem epilepsiechirurgischen Zentrum in besonderer Weise möglich, da hier am Menschen neuropsychologische Analysen, und elektrophysiologische Messungen in-vivo und in-vitro durchgeführt werden können. Ableitungen ereigniskorrelierter Potentiale von implantierten Tiefenelektroden erlauben eine Analyse der Grundlagen deklarativer Gedächtnisprozesse im Menschen mit einer hohen Zeitauflösung, und einem exzellenten Signal-Rauschabstand. Innerhalb gewisser Grenzen können bei derartigen Messungen auch Anhaltspunkte über die pharmakologische Beeinflussbarkeit von Gedächtnisprozessen gewonnen werden. Nach Resektion des epileptogenen Areals können an vitalen Hirnschnitten elektrophysiologische in-vitro Experimente durchgeführt werden, um Einblicke in zelluläre Mechanismen von aktivitätsinduzierter Plastizität im menschlichen ZNS zu gewinnen. Abstract The elements of memory: studies of human hippocampal function in vivo and in vitro. To elucidate the structural, cellular and molecular basis of memory processes in humans is one of the currently greatest challenges in neuroscience research. The parallel investigation of human cognition on many levels of complexity is possible in the setting of an epilepsy surgery programme because neuropsychological and electrophysiological analyses can be carried out in-vivo, in addition to in-vitro experiments after surgical removal of the epileptogenic area. Recording event-related potentials from implanted depth electrodes it is possible to analyze electrophysiological correlates of declarative memory processes with high time resolution and excellent signal-to-noise ratio. This also permits to examine aspects of the pharmacosensitivity of these memory processes. After resection of the epileptogenic area, living brain slices can be prepared using standard methods. In-vitro experiments in slice preparations allow to study cellular mechanisms of activity-induced plasticity in the human CNS. Keywords: declarative memory, hippocampus, NMDA receptor, long-term potentiation, event-related potential Einleitung und Fragestellung Was müssen die Nervenzellen in Ihrem Hippokampus leisten, damit Sie sich später an diesen Artikel erinnern? Vorausgesetzt, Sie wollen dies nach seiner Lektüre überhaupt, und die Eingangsfrage hat Sie nicht bereits jetzt zu der Überzeugung gebracht, man könne ihre Beantwortung getrost vergessen! Tatsächlich scheint es zunächst ein vielleicht eher utopischer als frommer Wunsch zu sein, die zellphysiologischen Korrelate des menschlichen Sprachgedächtnisses untersuchen zu wollen. Zwar haben Befunde aus Tierexperimenten viel zum Verständnis der Hippokampusfunktionen beigetragen, aber gelten diese Erkenntnisse auch für das menschliche Sprachgedächtnis? Ist es tatsächlich möglich, eine Brücke von der Neuropsychologie sprachlicher Gedächtnisprozesse hinüber zur Zellphysiologie zu schlagen? Im Folgenden möchten wir Ihnen Bausteine für eine solchen Brücke vorstellen und zu zeigen versuchen, dass sie zu tragfähigeren Gebäuden taugen als zu Luftschlössern. Gedächtnissysteme des Menschen Wesentliche Erkenntnisse über die Funktionsweise des menschlichen Sprachgedächtnisses verdanken wir neuropsychologischen Untersuchungen seiner spezifischen Störung ausgehend von wohl einer der berühmtesten neuropsychologischen Katastrophen: Zur Behandlung seiner nicht auf Medikamente ansprechenden epileptischen Anfälle wurden 1953 bei dem Patienten H.M. in beiden Schläfenlappen große Teile der Hippokampusformation entfernt (Scoville and Milner, 1957). Dies führte zu einer dramatischen Gedächtnisstörung, die es H.M. seither unmöglich macht, neue Ereignisse oder Fakten länger als ca. eine Minute im Gedächtnis zu behalten. Nicht zuletzt H.M., der sich seit seiner Operation immer wieder ausführlichen Tests zur Verfügung stellte, ist die Erkenntnis zu verdanken, dass das Gedächtnis des Menschen keinen unstrukturierten Speicher für alle Arten von Erinnerungen darstellt, sondern aus spezialisierten Subsystemen für jeweils bestimmte Arten von Inhalten besteht. So wurde deutlich, dass Schädigungen des limbischen Systems - und hier insbesondere der Hippokampus-Formation - zu erheblichen Beeinträchtigungen zu erheblichen Beeinträchtigungen des deklarativen (Squire, 1992;Squire and Zola-Morgan, 1991) bzw. episodischen Gedächtnisses (Tulving and Markowitsch, 1998) führen, d.h. der Fähigkeit, (begrifflich fassbare) sprachliche und nicht-sprachliche Inhalte und Ereignisse abzuspeichern und sich diese explizit und bewusst zu vergegenwärtigen. Eine solche Störung betrifft damit auch das autonoëtische Gedächtnis, die (möglicherweise spezifisch menschliche) Fähigkeit, sich quasi in der Zeit zurück zu versetzen, um einer vergangenen Episode erneut gewahr zu werden. Unberührt von einer Läsion des Hippokampus bleiben dagegen prozedurale Gedächtnisinhalte wie Fertigkeiten oder Gewohnheiten etc. und andere implizite Gedächtnisspuren. Diese können sich etwa darin zeigen, dass die Reaktion auf einen Zielreiz schneller erfolgt, wenn dieser wiederholt wird, - auch wenn die Tatsache der Wiederholung selbst nicht bewusst wird ( priming ). 114 Neuroforum 3/01

2 GRUNWALD ET AL. Modellerkrankung TemporallappenEpilepsie Selbstverständlich wird eine Entfernung des Hippokampus inzwischen nicht mehr in beiden Temporallappen durchgeführt. Patienten mit einer Temporallappen-Epilepsie (TLE) leiden aber nicht selten bereits aufgrund ihrer Erkrankung an Gedächtnisdefiziten, speziell wenn die TLE mit einem Zellverlust und begleitenden bindegewebigen Umbau des eigentlichen Hippokampus, der sogenannten Ammonshorn-Sklerose, einhergeht. Im Temporallappen der sprachdominanten (also meist linken) Hemisphäre führt dies in der Regel zu Defiziten im Bereich sprachlicher Gedächtnisleistungen (Hermann et al., 1988), während es auf der nicht-dominanten Seite Beeinträchtigungen des bildhaften Gedächtnisses verursacht (Helmstaedter et al., 1991). Die Störungen des Sprachgedächtnisses bei einer linksseitigen TLE werden in einem Test deutlich, bei dem eine Liste von 15 Wörtern gelernt werden soll. Während die Patient(inn)en während der Lernphase oft noch keine besonderen Schwierigkeiten haben, schneiden sie in einer späteren Testphase schlechter ab: Nach einer Verzögerung von 30 Minuten können sie sich an signifikant weniger Wörter erinnern als Patient(inn)en mit einer rechtsseitigen TLE oder gesunde Kontrollpersonen. Wenn es mit einer medikamentösen Behandlung nicht möglich ist, eine befriedigende Anfallskontrolle zu erreichen, so kann in nicht wenigen Fällen ein epilepsiechirurgischer Eingriff erfolgreich sein. Die einseitige Entfernung des Hippokampus (im Rahmen einer sog. selektiven Amygdalo-Hippokampektomie oder einer anterioren Temporallappen-Resektion) ist dabei häufig für eine postoperative Anfallskontrolle unabdingbar, birgt jedoch das Risiko zusätzlicher postoperativer Gedächtnisdefizite, vor allem wenn der kontralaterale Hippokampus ebenfalls funktionelle Beeinträchtigungen aufweist. Ein wesentliches Ziel der neuropsychologischen Forschung innerhalb der Epileptologie ist es daher einerseits zu klären, was genau und wie der Hippokampus zu Gedächtnisprozessen beiträgt, andererseits aber auch die möglichst genaue Charakterisierung der Funktionsfähigkeit beider Hippokampi individueller Patient(inn)en, um so die neuropsychologischen Folgen epilepsiechirurgischer Eingriffe kontrollieren zu können. Ihren Modellcharakter für die Erforschung menschlicher Gedächtnisprozesse erhält die TLE in der prächirurgischen Epilepsiediagnostik nun dadurch, dass hier eine Vielzahl unterschiedlicher und schließlich korrelierneuroforum 3/01 barer Untersuchungsmethoden zum Einsatz kommen. Überdies kann auch der resezierte Hippopkampus postoperativ weiter untersucht werden. Dabei machen es die graduell abgestuften Gedächtnisdefizite der TLEPatient(inn)en überhaupt erst möglich, nach Korrelationen zu suchen, um hippokampale Funktionen auf diese Weise zu charakterisieren. Limbische Ereignis-korrelierte Potentiale Wenn es nicht möglich ist, den Ursprungsort der Anfälle mit nicht-invasiven Methoden zu identifizieren, so kann die prächirurgische Epilepsiediagnostik bei manchen Patienten die Implantation von Tiefenelektroden beiden Temporallappen erfordern (Abb. 1). In diesen Fällen ist es dann auch möglich, sogenannte Ereignis-korrelierte Potentiale (EKP) direkt aus dem Hippokampus und dem angrenzenden entorhinalen Cortex abzuleiten, ohne dass damit irgendein zusätzliches Risiko für die Patienten verbunden wäre (s. Abb. 2). EKP sind Spannungsschwankungen der elektrischen Hirnaktivität, die genau definierten Ereignissen, wie spezifischen visu- ellen oder akustischen Stimuli, folgen oder vorangehen. Sie werden auch endogen oder kognitiv genannt, da ihre Ausprägung weniger von den physikalischen Eigenschaften der Stimuli abhängt als von der Art und Weise, wie diese verarbeitet werden (Rugg and Coles, 1995). Die Hauptquelle der neuronalen Aktivität, die der Erzeugung der EKP zugrunde liegt, sind dendritische exzitatorische post-synaptische Potentiale. Die so generierten Spannungsschwankungen sind jedoch klein im Vergleich zu den spontan im Hintergrund -EEG auftretenden Fluktuationen. Um EKP sichtbar zu machen und den Signal-Rausch-Abstand zu vergrößern, ist es daher in der Regel nötig, EEG-Episoden zu mitteln, die von experimentell äquivalenten Stimuli hervorgerufen wurden. Die einzelnen Komponenten der so evozierten EKP werden nach ihrer Polarität und Gipfellatenz benannt. N400 bezeichnet somit eine negative Auslenkung der EKP-Wellenform mit einer mittleren Gipfellatenz von 400 ms (Abb. 2B). Die Amplitude der N400-Komponente wird insbesondere von sprachlichen Stimuli beeinflusst. So nimmt sie etwa bei Wort-Wiederholungen ab, während innerhalb eines Satzes unerwartete oder semantisch abweichende Wörter N400-Potentiale Abb. 1: Postoperative T1-gewichtete Kernspin-Tomogramme zur Kontrolle der Lage hippokampaler Tiefenelektroden. (A) axial; (B) sagittal; (C) coronar (vergrößerter Ausschnitt) Limbische AMTL-N400 Potentiale werden von im anterioren mesialen Temporallappen gelegenen Kontakten registriert. 115

3 A B Abb. 2: Limbische AMTL-N400 Potentiale A: Schema des Gebiets (schraffiertes Feld), in dem limbische AMTL-N400-Potentiale typischerweise aufgezeichnet werden können; a = Hippokampus, b = Sulcus collateralis, c = Amygdala. B: AMTL-Potentiale auf der Seite der Ammonshornsklerose (AHS) und auf der kontralateralen nonfokalen Seite gemittelt über 16 Patienten. Im Vergleich zu alten Wörtern (blau) evozieren neue Wörter (rot) AMTL-N400 Potentiale signifikant größerer Amplitude auf der nonfokalen Seite. Dieser Effekt wird durch Gabe des NMDA-Rezeptor-Blockers Ketamin unterdrückt. höherer Amplitude evozieren als erwartete und semantisch passende Wörter (Abb. 2B). Bei intrakraniellen Ableitungen fanden wir in zwei Regionen beider Hemisphären N400-Potentiale, die sowohl durch Wörter als auch durch Bilder von Gegenständen evoziert wurden: temporo-lateral im Gyrus temporalis medius sowie im anterioren mesialen Temporallappen (Elger et al., 1997). Die Befunde verschiedener Untersuchungen sprechen dafür, dass die letztere, AMTL-N400 genannte, Komponente im entorhinalen Cortex generiert wird (Halgren et al., 1994;McCarthy et al., 1995;Fernandez et al., 1999), dass aber der eigentliche Hippokampus ( hippocampus proper ) zumindest teilweise zu ihrer Entstehung beiträgt (Grunwald et al., 1999a;Grunwald et al., 1998a). Die Analyse der temporo-mesialen, limbischen EKP hat sich inzwischen im Rahmen der prächirurgischen Epilepsiediagistik als praktisch wertvoll erwiesen, da sie sowohl zur Lateralisation des epileptogenen Fokus beitragen (Grunwald et al., 1995) als auch die Prognostizierbarkeit der zu erwartenden (oder ggf. ausbleibenden) postoperativen Anfallskontrolle verbessern kann (Grunwald et al., 1999b) Können limbische EKP nun aber auch dazu genutzt werden, den spezifischen Beitrag hippokampaler Strukturen zu verbalen Gedächtnisprozessen weiter aufzuklären? Um dies zu untersuchen, korrelierten wir die Amplituden intrakranieller N400-Potentiale mit den Leistungen von TLE-Patienten in dem oben skizzierten Test des Lernens von Wortlisten (Elger et al., 1997). Zur Stimulation verwendeten wir zwei sogenannte kontinuierliche Rekognitionsparadigmata, bei denen entweder einzelne Wörter (oder Bilder) auf einem Monitor gezeigt wurden. Ein Teil der verbalen (oder bildhaften) Stimuli wurde im Verlauf der Untersuchung je einmal wiederholt. Die Patient(inn)en wurden dabei gebeten, bei jedem Stimulus zu entscheiden, ob es sich um eine Erstpräsentation (= neu ) oder einer Wiederholung (= alt ) handelte. Dabei zeigte sich, dass nur die durch Wörter, nicht jedoch die durch Bilder im sprachdominanten Temporallappen evozierten Potentiale mit spezifischen Teilleistungen assoziiert waren: während die Amplitude der temporo-lateralen neokortikalen N400-Potentiale mit dem unmittelbaren freien Abruf nach dem fünften Lerndurchgang korrelierten, fand sich eine hochsignifikante positive Korrelation der mesialen AMTL-N400 Amplituden mit dem verzögerten freien Abruf nach einer 30-minütigen Pause sowie eine negative mit der Zahl von Wörtern, die während dieser Zeit vergessen worden waren. Diese Befunde zeigen, dass temporo-laterale und mesiale Strukturen der sprachdominanten Hemisphäre unterschiedliche Aspekte verbaler Gedächtnisprozesse vermitteln: Während der gyrus temporalis medialis für das verbale Lernen und den unmittelbaren Abruf wichtig ist, beruht der (von Konsolidierungsprozessen abhängige) verzögerte freie Abruf zuvor gelernter Wörter mehr auf der Aktivität hippokampaler Areale. Interessanterweise fanden sich die genannten Korrelationen nur für die Amplituden von N400-Potentialen, die durch erstgezeigte ( neue ) und nicht durch wiederholte ( alte ) Wörter evoziert wurden. Dies legte die Vermutung nahe, dass die durch neue und zu lernende Stimuli ausgelöste hippokampale Aktivität mit dem Enkodieren deklarativer Gedächtnisinhalte assoziiert ist und dass es die Störung gerade dieser Aktivität ist, die die Gedächtnisdefizite von TLE-Patienten bedingt. Diese Hypothese wird unterstützt durch weitere Befunde, die wir inzwischen erheben konnten. Erstens scheint der Grad der mesio-temporalen Aktivierung während des Lernens darüber zu entscheiden, ob wir uns später an das zu Lernende erinnern können oder nicht: Während der Lernphase evozieren Wörter, die später wiedererkannt werden, AMTL-N400 Potentiale signifikant höherer 116 Neuroforum 3/01

4 Im Menschen ist über hippokampale (Beck et al., 2000) und kortikale (Chen et al., 1996) synaptische Plastizität und ihre Mechanismen in-vitro noch wenig bekannt. Dies liegt an der begrenzten Verfügbarkeit vitalen menschlichen Hirngewebes aus diesen Regionen. Die Möglichkeit, derartige Experimente an menschlichem Hirngewebe durchzuführen, besteht im Moment eigentlich nur nach epilepsiechirurgischen Eingriffen, mit denen ein Teil der medikamentös therapieresistenten Epilepsien behandelt werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass sowohl die Untersuchung neuropsychologischer Parameter als auch in-vivo Elektrophysiologie und in-vitro Elektrophysiologie an demselben Patientenkollektiv durchgeführt werden kann. Bei derartigen in-vitro Untersuchungen an Hippokampuspräparaten von Epilepsiepatienten nach epilepsiechirurgischen Eingriffen haben wir uns die folgenden Fragen gestellt: (1) kann eine NMDA-Rezeptorabhängige LTP im menschlichen Hippokampus ausgeenz nach hochfrequenter Stimulation afferenter Fasern. Sie ist abhängig von einer hohen postsynaptischen Kalzium-Konzentration, wobei der wichtigste Kalzium-Einstrom während der Induktion der LTP durch Ionenkanäle erfolgt, die an den NMDA-Subtyp der Glutamat-Rezeptoren gekoppelt sind. Es wird daher angenommen, dass NMDA- Rezeptoren im CA1-Sektor des Hippokampus eine entscheidende Rolle für die assoziative LTP spielen, die wiederum als ein mögliches Substrat von Lern- und Gedächtnisprozessen diskutiert wird. Um zu überprüfen, ob auch die hippokampale Aktivität beim Enkodieren neuer verbaler Stimuli wesentlich von der Aktivierung von NMDA- Rezeptoren abhängt, untersuchten wir den Einfluss des nicht-kompetitiven NMDA- Rezeptorblockers Ketamin auf limbische EKP und die Wiedererkennungsleistung im Rahmen des beschriebenen Wort-Rekognitionsparadigmas (Grunwald et al., 1999a). Dabei fanden wir, dass die Blockade der NMDA-Rezeptoren zu einer markanten und selektiven Amplitudenreduktion der AMTL- N400 auf neue, nicht aber auf alte Wörter führte, so dass der neu-minus-alt Rekognitioseffekt durch Ketamin völlig eliminiert wurde (Abb. 2B). Im Gegensatz dazu erwiesen sich andere hippokampale Potentiale und die mit ihnen assoziierten Rekognitionseffekte als völlig unbeeinflusst durch die Gabe von Ketamin, so dass dessen Effekt auf die AMTL-N400 als spezifisch und nicht als Folge einer generellen Reduktion aller limbischen EKP angesehen werden muss. Gleichzeitig wurde unter Ketamin auch die Gedächtnisleistung gemessen an der Zahl erkannter Wortwiederholungen signifikant schlechter. Diese Befunde sind durchaus mit unserer Hypothese vereinbar, dass die hippokampale Dekodierung des Neuigkeitswertes eines Stimulus zur Enkodierung verbaler Gedächtnisinhalte beiträgt und dass dieser Prozess nicht zuletzt auf der Aktivierung hippokampaler NMDA-Rezeptoren beruht. Eigenschaften von NMDA-Rezeptoren Welches sind nun die Eigenschaften von NMDA Rezeptoren, die für die zentrale Rolle dieses Rezeptorkomplexes bei LTP wichtig sind? Bei normaler synaptischer Transmission dominieren in den meisten glutamatergen synaptischen Verbindungen non- NMDA Rezeptoren, weil NMDA Rezeptorkanäle durch extrazelluläre Mg 2+ Ionen blokkiert werden. Bei Depolarisation der postsynaptischen Membran jedoch wird der Mg 2+ Block aufgehoben, und die synaptische Aktivierung von NMDA-Rezeptoren resultiert Amplitude als später nicht wiedererkannte (Fernandez et al., 1999). Und zweitens führt die Atrophie und Sklerose des Hippokampus bei mesialer TLE nur zu einer Reduktion der AMTL-N400 Amplitude auf neue Wörter, während die AMTL-N400 auf alte Wörter keine Veränderung im Vergleich zur nicht epileptischen Gegenseite aufweist (Grunwald et al., 1998a). Tatsächlich korreliert die Amplitude der AMTL-N400 auf neue nicht auf alte Wörter hochsignifikant mit der Dichte der Pyramidenzellen im hippokampalen Subsektor CA1 (nicht aber mit der Zellzahl in anderen Regionen des Hippokampus und Gyrus dentatus (Grunwald et al., 1999a). Diese Ergebnisse sind auch vereinbar mit der Auffassung, dass der Hippokampus des Menschen wesentlich an der Detektion des Neuigkeitsgrades wahrgenommener Stimuli ( novelty detection ) beteiligt ist (Knight, 1996). Demnach würden wir eher das Auftreten eines neuen (und damit vielleicht wichtigen ) Stimulus in einer bestimten Situation enkodieren und uns später daran erinnern als an das Auftreten eines alten (und vielleicht weniger wichtigen) Ereignisses. Wenn nun perisylvische Sprachareale bereits die linguistische Verarbeitung eines verbalen Stimulus leisten, könnte die hippokampale novelty detection dann aber vielleicht auch weniger materialspezifisch sein und somit prinzipiell auch von beiden Hippokampusformationen geleistet werden. Schließlich führt die epilepsiechirurgische Resektion des Hippokampus der sprachdominanten Hemisphäre eben nicht zu einem völligen Verlust des Sprachgedächtnisses zumindest dann, wenn der kontralaterale Hippokampus nicht (oder nur wenig) funktionsgestört ist. Und in der Tat ist es bei Patienten mit linksseitiger Sprachdominanz möglich, mit Hilfe der vor der Operation im rechten Hippokampus gemessenen AMTL- N400 (auf neue Wörter) die Leistungsfähigkeit des Sprachgedächtnisses nach der Resektion des linken Hippokampus vorherzusagen (Grunwald et al., 1998b). Ein solches Modell der Enkodierung verbaler Gedächtnisinhalte durch die hippokampale Dekodierung des Neuigkeitswertes eines Stimulus würde auch mit den beobachteten Gedächtnisdefiziten nach isolierter Läsion des Hippokampus-Sektors CA1 übereinstimmen (Zola-Morgan et al., 1986). Diese Region ist nicht zuletzt auch deshalb besonders interessant, da (allerdings nicht nur) hier in Tiermodellen der Vorgang der assoziativen long-term potentiation (LTP) nachgewiesen werden konnte. LTP ist eine nachhaltige Steigerung der synaptischen Effiziin einem Einstrom von Na + und Ca 2+ Ionen. Diese Eigenschaft des NMDA-Rezeptors führt zu charakteristischen Eigenschaften der NMDA-Rezeptor-abhängigen LTP, die als Kooperativität und Assoziativität bezeichnet werden. Kooperativität bedeutet, dass LTP nur bei gleichzeitiger Aktivierung mehrerer erregender synaptischer Eingänge ausgelöst wird. Hierbei muss die gleichzeitiger Aktivierung einer grossen Anzahl von non- NMDA Rezeptoren eine postsynaptische Depolarisation verursachen, die ausreichend ist, um den Mg 2+ -Block postsynaptischer NMDA-Rezeptoren aufzuheben. Assoziativität bezeichnet die Vorstellung, dass präund postsynaptische Aktivierung gleichzeitig vorhanden sein muss, damit LTP ausgelöst werden kann. Synaptische Potenzierung kann zum Beispiel ausgelöst werden durch Koinzidenz einer präsynaptischen Aktivierung mit einem somatischen Aktionspotential, welches in die Dendriten zurückpropagiert (Markram et al., 1997). Eine weitere wichtige Eigenschaft von NMDA-Rezeptoren ist die spezifische Kopplung dieses Rezeptors an eine Reihe wichtiger intrazellulärer Signaltransduktionswege, die für die Ausprägung synaptischer Modifikationen wichtig sind (Sprengel et al., 1998). Diese spezifischen Eigenschaften des NMDA Rezeptors prädisponieren diesen Rezeptor für eine Rolle bei der Speicherung von Information im ZNS. NMDA-abhängige synaptische Plastizität im menschlichen ZNS 118 Neuroforum 3/01

5 GRUNWALD ET AL. Abbildung 3: NMDA-Rezeptorabhängige LTP im menschlichen Hippokampus. Aus epilepsiechirurgisch gewonnenem menschlichen Hippokampuspräparaten wurden mit einem Vibratom 400 µm dicke Vitalschnitte angefertigt, und in einer Interfacekammer äquilibriert. A: Es wurden dann (s.schemazeichnung) zwei unabhängige Anteile des Tractus perforans gereizt (2 und 3 Sterne), und in der Molekularschicht des Gyrus dentatus (DG-ML) mit Feldpotentialelektroden abgeleitet. Beispielhafte erregende postsynaptische Potentiale (fepsps) sind in Abb. B 1 und B 2 dargestellt. B 1 und B 2 : Experimente in Hippokampusschnitten von Patienten ohne (B 1 ) und mit (B 2 ) einem hippokampalen Anfallsfokus. LTP wurde durch Applikation einer tetanischen Stimulation (8 x 20 Stimulationen mit 100 Hz im Abstand von 10 s) bei einem der synaptischen Eingänge (runde Symbole) ausgelöst. Der Zeitpunkt der tetanischen Stimulation ist durch einen * gekennzeichnet. Der untetanisierte Kontrollinput zeigt keine Veränderung nach Tetansierung. Beispielhafte fepsps sind zu den verschiedenen Zeitpunkten (a, b, c) während des Experimentes gezeigt. Die Dauer der Applikation des NMDA-Rezeptorantagonisten APV ist durch einen horizontalen Balken gekennzeichnet. C: Auswertung der Steigerung synaptischer Effizienz in beiden Patientengruppen 1 Stunde nach tetanischer Stimulation. Patienten mit extrahippokampalem Anfallsfokus (Extra-hipp.) zeigen deutlich mehr synaptische Potenzierung (p<0.05). Für eine ausführliche Beschreibung s. Beck et al löst werden? und (2) ist das Potenzial zur Auslösung NMDA-Rezeptor-abhängiger LTP durch die Präsenz eines hippokampalen Anfallsherdes vermindert? Hierzu haben wir unsere Patienten in zwei Gruppen eingeteilt. Die erste Gruppe zeigte einen hippokampalen Anfallsbeginn mit einem charakteristischen neuropathologischen Schädigungsmuster im Hippokampus. Die zweite Gruppe zeigte einen extrahippokampalen Anfallsfokus, etwa auf der Grundlage eines Tumors, einer Entwicklungsfehlbildung oder einer anderen Läsion. Diese Patienten zeigten keine ausgeprägte morphologische Schädigung des Hippokampus selbst. Wir konnten zunächst zeigen, dass bei Patienten mit einem extrahippokampalen Anfallsfokus klassische NMDA-Rezeptorabhängige LTP in der Tractus perforans-körnerzellsynapse des Hippokampus ausgelöst werden kann (Abb. 3A, B 1 ). Diese Potenzierung konnte - wie bei Tiermodellen auch durch niederfrequente Stimulation zum Teil wieder rückgängig gemacht werden. Im Gegensatz hierzu konnte in Patienten mit einem hippokampalen Anfallsfokus keine NMDA-Rezeptor-abhängige LTP ausgelöst werden (Abb. 3B 2 ). Ein ähnlicher Unterschied fand sich auch für die synaptische Langzeitpotenzierung, die durch pharmakologische Anhebung der intrazellulären camp Konzentration induziert werden kann (Beck et al., 2000). Diese Reduktion synaptischer Plastizität bei Patienten mit einem hippokampalen Anfallsfokus korreliert mit den vermehrten Defiziten im sprachlichen Gedächtnis bei dieser Patientengruppe. Ein Verlust hippokampaler synaptischer Plastizität fand sich bisher auch bei Epilepsietiermodellen an verschiedenen Synapsen (Goussakov et al., 2000) und unpublizierte Daten). Die Modifikation synaptischer Plastizität durch Anfallserkrakungen könnte also einen attraktiven Basismechanismus für den Verlust an kognitiven Leistungen bei Epilepsiepatienten darstellen. Der letztendliche Beweis für einen solchen Zusammenhang beim Menschen ist durch korrelative Untersuchungen natürlich nicht zu erbringen. Nichtsdestoweniger bietet die parallele Untersuchung von Gedächtnisprozessen in-vivo, und Plastizität in-vitro eine interessante und derzeit auch die einzige - Möglichkeit, Hypothesen über zelluläre Grundlagen von deklarativem Gedächtnis zu testen. Neuroforum 3/01 119

6 Exkurs Rolle von NMDA-Rezeptoren für Gedächtnisprozesse in Tiermodellen Wie ist die Beweislage für eine Rolle von NMDA Rezeptoren bei Gedächtnisprozessen in Tiermodellen? Diese Frage kann nur beantwortet werden, wenn man die Funktion von NMDA-Rezeptoren oder nachgeschalteter Signalkaskaden in-vivo möglichst selektiv inhibieren kann. Anfangs wurde versucht, die Funktion von NMDA- Rezeptoren durch in-vivo Applikation von pharmakologischen Antagonisten in den Bereich des Hippokampus zu hemmen. In derartigen Experimenten konnten meist parallel Defizite im räumlichen Lernen, und eine Hemmung von hippokampalem LTP in der CA1 Region beobachtet werden (Morris, 1989;Davis et al., 1992;Morris et al., 1986). Allerdings wurde in ähnlichen Experimenten eine Hemmung von LTP in einer anderen Hippokampusregion, dem Gyrus Dentatus, hervorgerufen, die nicht mit Defiziten im räumlichen Lernvermögen einherging (Saucier and Cain, 1995). Dass der Zusammenhang zwischen NMDA-Rezeptorabhängigem LTP und räumlichem Lernen nicht trivial ist, wurde auch durch weitere Experimente aus der Gruppe von Morris gezeigt, in denen z.b. vor Applikation der NMDA Rezeptorantagonisten eine Trainingssitzung in einem etwas veränderten Lernparadigma durchgeführt wurde. In diesen Ratten konnte das unter NMDA-Rezeptorblockade normalerweise vorhandene räumliche Lerndefizit fast völlig normalisiert werden (Bannerman et al., 1995). Später wurde versucht, mit Hilfe von transgenen Mäusen Aufschluss über die Rolle von NMDA-Rezeptorabhängiger Plastizität über die Ausschaltung von involvierten Enzymkaskaden zu bekommen (Grant et al., 1992;Silva et al., 1992a;Silva et al., 1992b). Eine ganze Reihe dieser transgener Tiere zeigt einen parallelen Verlust synaptischer Plastizität und räumlichen Lernvermögens. Interessanterweise zeigen Literatur Beck H, Goussakov IV, Lie A, Helmstaedter C, Elger CE (2000) Synaptic plasticity in the human dentate gyrus. J Neurosci 20: Grunwald T, Beck H, Lehnertz K, Blumcke I, Pezer N, Kurthen M, Fernandez G, Van Roost D, Heinze HJ, Kutas M, Elger CE (1999a) Evi- transgene Mäuse, welchen die für die Kopplung an intrazelluläre Signaltransduktionswege wichtige intrazelluläre C-terminale Proteindomäne des NR2A Subtyps des NMDA-Rezeptors fehlt, ebenfalls defekte synaptische Plastizität und räumliches Lernen (Sprengel et al., 1998). Diese Resultate deuteten eine mögliche Rolle von NMDA-Rezeptorabhängiger Plastizität in der CA1 Region bei räumlichem Lernen und Gedächtnis an. Allerdings ist sowohl in der pharmakologischen wie auch den transgenen Experimenten die Blockade der Funktion plastizitätsrelevanter Moleküle weder räumlich noch zeitlich sehr spezifisch. Aus diesem Grund hatten einige Gruppen damit begonnen, transgene Tiere zu entwickeln, in denen für synaptische Plastizität wichtige Gene in spezifischen Zelltypen oder zu bestimmten Zeitpunkten inaktiviert werden können (Mayford et al., 1996;Rotenberg et al., 1996). Interessanterweise führte die selektive genetische Inaktiverung von NMDA-Rezeptoren nur in CA1 Neuronen des Hippokampus zu einem Verlust NMDA-Rezeptorabhängiger LTP, zu einer Störung in der Bildung ortsspezifischer Neurone in der CA1 Region, und zu Störungen in räumlichen Gedächtnis (McHugh et al., 1996;Tsien et al., 1996). In einem sehr eleganten transgenen Experiment wurde dann kürzlich ein inverser Ansatz versucht: Durch regionalspezifisch erhöhte Expression der NR2B Untereinheit des NMDA-Rezeptors wurde die Auslösbarkeit synaptischer Plastizität erleichtert. Diese Mäuse zeigten erstaunlicherweise in einem umfangreichen Sortiment von Gedächtnis- und Verhaltenstests eine verbesserte Leistung (Tang et al., 1999). Zusammengenommen sind die meisten dieser Experimente mit einigen Ausnahmen - mit einer Rolle NMDA-abhängiger synaptischer Plastizität bei Lernen und Gedächtnis vereinbar. Diese Experimente zeigen auch, dass die parallele Untersuchung von LTP in-vitro und Gedächtnisfunktion invivo Hinweise auf das Verhältnis von synaptischer Plastizität und Gedächtnis geben können. dence relating human verbal memory to hippocampal N-methyl-D- aspartate receptors. PNAS 96: Knight R (1996) Contribution of human hippocampal region to novelty detection. Nature 383: McCarthy G, Nobre AC, Bentin S, Spencer DD (1995) Language-related field potentials in the anterior-medial temporal lobe: I. intracranial distribution and neural generators. J Neurosci 15: Tsien JZ, Huerta PT, Tonegawa S (1996) The essential role of hippocampal CA1 NMDA receptor-dependent synaptic plasticity in spatial memory. Cell 87: Eine ausführliche Literaturliste kann bei den Autoren angefordert werden. Kurzbiographien der Autoren Heinz Beck: geb. 1966, studierte Medizin in Köln und promovierte 1992 bei Prof. Uwe Heinemann (Institut für Physiologie) in Köln über entwicklungsabhängige Regulation von spannungsabhängigen Ionenkanälen im Zentralnervensystem. Im Jahr 1994 Wechsel an die Universität Bonn und Aufbau einer eigenständigen Arbeitsgruppe an der Klinik für Epileptologie. Themen der Arbeitsgruppe sind aktivitätsabhängige Plastizität im Zentralnervensystem und Pathogenese von Anfallserkrankungen, unterstützt durch die DFG und das BMBF. Auszeichnung der Arbeitsgruppe durch den internationalen Michael Preis und den Hauptmann Preis für Epilepsieforschung, sowie den Bennigsen-Förder Preis des Landes Nordrhein-Westfalen. Im Jahr 2001 Habilitation im Fach Physiologie und Verleihung eines Heisenberg Stipendiums der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Christian E. Elger: geb. 1949, studierte Medizin in Münster und promovierte an dem Institut für Physiologie in Münster (Prof. E. Speckmann). Im Jahre 1982 Habilitation im Fach Physiologie. Danach Ausbildung in klinischer Neurologie in Münster mit Auslandsaufenthalten in Zürich (Prof. H.G. Wieser) und Tennessee (Prof. A. Wyler) Erlangung des Facharztes für Neurologie. Seit 1987 Direktor der Klinik für Epileptologie der Universität Bonn. Auszeichnung durch mehrere Preise, darunter der internationale Michael Preis, der Hauptmann Preis und der Merell Dow Preis für Epilepsieforschung. Themen der Arbeitsgruppen sind die Erforschung der Grundlagen von menschlichen Epilepsien und von kognitiven und emotionalen Prozessen am Menschen. Thomas Grunwald: geb , studierte Phonetik und Linguistik an den Universitäten Marburg, Edinburgh und Köln, und promovierte im Jahre 1982 in Köln (Institut für Phonetik). Ab 1984 bis 1990 studierte er in Bonn Medizin und promovierte im Jahre 1992 (Klinik für Neurochirurgie). 120 Neuroforum 3/01

7 GRUNWALD ET AL. Er arbeitete von zunächst an der Klinik für Neurologie in Bonn und ab 1992 dann an der Klinik für Epileptologie. Hier baute er eine potente Arbeitsgruppe auf, die sich vorwiegend mit der Analyse von kognitiven und sprachlichen Prozessen im menschlichen Temporallappen beschäftigt. Die Arbeitsgruppe macht sich hierbei zunutze, dass in manchen Fällen im Rahmen der prächirurgischen Abklärungen vor epilepsiechirurgischen Eingriffen die Implantation von Tiefenelektroden notwendig ist, von denen reigniskorrelierte Potentiale abgeleitet werden können. Er habilitierte sich 2001 für Neurologie. Abkürzungen CA1, CA1 und CA3 Sektor des CA3 Ammonshornes EKP Ereigniskorrelierte Potentiale GD Gyrus dentatus LTP Synaptische Langzeitpotenzierung (long-term potentiation) N400 Komponente ereigniskorrelierter Potentiale mit einem Maximum etwa 400 ms nach Reizpräsentation AMTL-N400 Potential, gemessen im N400 anterioren Mesiotemporallappen NMDA N-Methyl-D-Aspartat TLE Temporallappenepilepsie (temporal lobe epilepsy) ZNS Zentralnervensystem Kontaktaddresse Thomas Grunwald, Heinz Beck, Christian E. Elger Klinik für Epileptologie Medizinische Einrichtungen der Universität Bonn Sigmund-Freud Str. 25 D Bonn Tel: [49] Fax: [49] thomas.grunwald@ukb.uni-bonn.de Neuroforum 3/01 121