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Gedächtnis: Wie sich das Langzeitgedächtnis festigt

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Die Langzeitpotenzierung, eine dauerhafte Verstärkung der synaptischen Signalübertragung, bildet eine entscheidende Grundlage für unser Gedächtnis. Hierzu müssen synaptische Kontakte zwischen den beteiligten Nervenzellen ausgebaut werden. Welche biochemischen Moleküle dies auslösen, hat das Team von Ryohei Yasuda von der Duke University in Durham (US-Bundesstaat North Carolina) genau untersucht.

Die Forscher wussten bereits, dass der Synapsenumbau durch Kalziumionen ausgelöst wird, die in die Zelle strömen. Dies aktiviert das Enzym CaMKII (Kalzium-Calmodulin-abhängige Kinase II), die jedoch nur etwa zehn Sekunden aktiv bleibt – zu kurz für die Langzeitpotenzierung. Yasudas Gruppe fand nun heraus, dass diese knappe Zeit allerdings genügt, um zwei weitere Proteine zu mobilisieren.

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Dendritische Dornfortsätze | Das Protein Cdc42 zeigt sich in einem dendritischen Dornfortsatz einer Nervenzelle besonders rege, nachdem an der zugehörigen Synapse Kalziumionen eingeströmt sind (rot: hohe, blau: geringe Aktivität). Der Dornfortsatz wächst nun stark an. Cdc42 hilft somit, eine spezielle Synapse für das Langzeitgedächtnis zu verstärken.
Die Wissenschaftler hatten in Hippocampuszellkulturen einer Ratte die beiden verdächtigen Enzyme RhoA und Cdc42 angefärbt. Mit Hilfe der Zwei-Photonen-Mikroskopie konnten sie nachweisen, dass diese beiden Signalstoffe nach der Kalziumfreisetzung etwa fünf Minuten stark aktiv sind und danach noch mehr als eine halbe Stunde eine erhöhte Aktivität beibehalten. Bei RhoA und Cdc42 handelt es sich um wichtige Regulatoren des zellulären Skeletts, die für die Vernetzung und das Wachstum von Aktinfilamenten sorgen. Diese geben den so genannten dendritischen Dornfortsätzen, den Kontaktstellen der Neuronen, ihre Form und verstärken die Synapse an deren Spitze.

Wie Yasudas Team weiter herausfand, löst CaMKII über diese beiden Proteine eine biochemische Signalkaskade aus: RhoA regt das Enzym Rock an, das Aktinskelett zu stabilisieren. Cdc42 dagegen wirkt über das Protein Pak, das wiederum die Dornfortsätze langfristig vergrößert. Dabei kann das aktivierte Cdc42 den jeweils stimulierten Dorn nicht verlassen. Dies erklärt, warum die Langzeitpotenzierung immer nur eine spezielle Synapse verstärkt und die benachbarten in der Umgebung unverändert lässt. So stabilisiert sich ein bestimmter Signalpfad im Gehirn und festigt die Erinnerung. (gw)

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