Neuronen: Dendriten steuern Feintuning

23. Januar 2015
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Die dendritische Architektur ist im Tiermodell entbehrlich für grundlegende Funktionen, doch notwendig für die Steuerung evolutionär festgelegter Verhaltensabläufe. Dies bietet eine Erklärung dafür, wieso menschliche Neuronen über eine riesige Anzahl an Dendriten verfügen.

Schätzungsweise 100 Milliarden Neurone im menschlichen Gehirn bilden etwa 100 Billionen Synapsen an ungefähr 150.000 km Dendritenkabel. Eine zentrale Frage der neurobiologischen Grundlagenforschung ist, weshalb Nervenzellen derart viele Dendriten aufweisen. Die gängigen Hypothesen reichen von der Bereitstellung einer ausreichend großen Oberfläche für synaptischen Eingang bis zur Ausbildung hochspezifischer Kompartimentierungen für die molekulare Signalgebung und neuronale Informationsverarbeitung. Strukturdefekte von Dendriten werden mit verschiedenen Gehirnerkrankungen in Verbindung gebracht wie etwa autistischen Störungen, Alzheimer-Demenz oder Schizophrenie. „Allerdings wissen wir oft nicht, ob strukturelle Defekte an Dendriten die Ursache oder die Folge von geschädigten Gehirnfunktionen sind“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Carsten Duch.

Entfernung von Dendriten führt zu Leistungseinbußen

In seiner Arbeitsgruppe an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) werden dendritische Strukturen und Funktionen anhand der Taufliege Drosophila erforscht. Die experimentelle Herausforderung bei der Analyse der Rolle von Dendriten ist, diese selektiv an einigen identifizierten Nervenzellen mit bekannter Funktion zu manipulieren, ohne andere Eigenschaften dieser Nervenzellen oder andere Nervenzellen zu beeinträchtigen, um dann die resultierenden Funktionsverluste zu analysieren. Genau das haben Biologen in ihrer jüngsten Studie an Motorneuronen von Drosophila mit genetischen Tricks durchgeführt.

„Wir haben zu unserer Überraschung entdeckt, dass diese Motorneuron-Dendriten für die synaptische Ansteuerung, normale Aktivitätsmuster der Motorneurone im Verhalten und grundlegende Verhaltensleistungen entbehrlich sind“, teilen die beiden Erstautoren der Studie, Dr. Stefanie Ryglewski und Dr. Dimitrios Kadas, mit. Sorgfältige physiologische Studien und Verhaltensexperimente haben dann aber gezeigt, dass das Entfernen der Dendriten die funktionelle Feinkontrolle dieser Motorneurone beeinträchtigt. Das wiederum führt zu beträchtlichen Leistungseinbußen bei anspruchsvollem motorischen Verhalten wie etwa bei der Kontrolle der Flughöhe und dem Wechsel zwischen Gesangselementen beim Balzverhalten.

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(A) Beispiel der Struktur eines von insgesamt fünf Flügel-Senker-Motorneuronen der Taufliege Drosophila. (B) Verlust der Dendriten nach selektiver genetischer Manipulation dieser Motorneurone. (C) Das Tier kann auch mit drastischen dendritischen Defekten der Flügel-Senker-Motorneurone noch fliegen, aber Dendriten sind entscheidend für die Feinkontrolle motorischen Verhaltens. © Abteilung Neurobiologie, JGU

Rolle der dendritischen Architektur

Die Wissenschaftler um Duch haben damit zum ersten Mal einen direkten Hinweis gefunden, dass die dendritische Architektur notwendig ist, um evolutionär festgelegte Verhaltensabläufe, die für den Paarungserfolg und das Überleben zentral sind, zu steuern. Damit liefert die Studie einen Erklärungsansatz, weshalb ein positiver Selektionsdruck auf einer hochkomplexen neuronalen Struktur liegt. Weiterhin nimmt das Ausmaß der Funktionseinbußen von Drosophila-Motorneuronen mit dem Umfang der Schädigung der Dendriten zu. Eine solche Korrelation des Grades der dendritischen Defekte mit dem Ausmaß der neuronalen Störung findet man auch während fortschreitender struktureller Schädigungen bei progressiven neurologischen Erkrankungen.

Originalpublikation:

Dendrites are dispensable for basic motoneuron function but essential for fine tuning of behavior
Stefanie Ryglewski et al.; PNAS, doi: 10.1073/pnas.1416247111; 2014

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1 Kommentar:

Es war einmal eine Hexe – und die lebte im Wald. Dann kamen Hänsel und Gretel – usw.

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