Elektrophysiologie einer marklosen glutamatergen Nervenfaser im Hippokampus der Ratte

Abstract

Das Thema der vorliegenden Arbeiten an der marklosen hippokampalen Moosfaser, dem Axon der Körnerzelle im Gyrus dentatus, ist die Generierung unter- und überschwelliger elektrischer Signale. Unterschwellige Depolarisationen im Axon können durch passive Propagation erregender postsynaptischer Potenziale auftreten, die im Bereich der Dendriten und des Somas der Körnerzelle durch postsynaptische Ströme generiert wurden. Den entscheidenden Beitrag leistet die hohe axonale Längskonstante von etwa 450 µm für diese transienten Signale. Die passiv propagierten, transienten Depolarisationen führen zu einer Zunahme der aktionspotenzialabhängigen Glutamatfreisetzung um einen Faktor von im Mittel 1,4. Ein weiterer Mechanismus, durch den unterschwellige elektrische Signale auf dem Axon generiert werden können, ist die Aktivierung ligandengesteuerter Ionenkanäle. Auf der Moosfaser gefunden werden konnten ionotrope GABAA-Rezeptoren und Glyzinrezeptoren. Die beiden neueren Arbeiten beschäftigen sich mit dem überschwelligen Signal im Nervensystem, dem Aktionspotenzial. Dieses Signal auf der marklosen Moosfaser im Hippokampus wird in sehr viel effizienterer Weise generiert als auf dem marklosen Riesenaxon des Tintenfischs bzw. als in Modellsimulationen für marklose kortikale Axone. So benötigt das hippokampale Säugeraxon gerade einmal ungefähr die 1,3-fache Energie des theoretischen Minimums, im Gegensatz zu einem Faktor von 3 oder höher des Tintenfischriesenaxons bzw. der Modelle. Die hohe Effizienz ergibt sich aus der Optimierung von Eigenschaften der Ionenkanäle, die für die Generierung des Aktionspotenzials verantwortlich sind. Im Falle der repolarisierenden Kaliumkanäle wurde die Identität der beteiligten Kanalfamilien untersucht. Kv3-Kanäle tragen durch ihre spezialisierten Eigenschaften wesentlich dazu bei, die physikalische Dichte der Kaliumkanäle insgesamt niedrig zu halten.

The common theme of the presented work on the nonmyelinated hippocampal mossy fiber (the axon of the granule cell in the dentate gyrus) is the generation of subthreshold and suprathreshold electrical signals. Subthreshold depolarizations in the axon can occur due to passive propagation of excitatory postsynaptic potentials, which are generated in the somato-dendritic domain. The remote passive propagation of these comparatively slow but transient signals is due to a space constant of about 450 µm. These passively propagated transient depolarizations enhance action potential-dependent glutamate release by a factor of about 1.4. A further mechanism by which subthreshold electrical signals can be generated in the axon is the activation of ligand-gated ion channels. At the hippocampal mossy fiber, ionotropic GABAA-receptors and glycine receptors were identified. The suprathreshold signal in the nervous system, the action potential, is generated much more efficiently in the nonmyelinated hippocampal mossy fiber than in the nonmyelinated giant axon of the squid and in simulations of action potentials in nonmyelinated cortical axons. The action potential propagating along the mossy fiber requires charge flow and its subsequent redistribution (thus energy) that is only about 1.3 times the theoretical minimum, in contrast to a factor of 3 or more in the squid giant axon or in model simulations. The high efficiency results from an optimization of ion channel properties which are responsible for mediating the currents underlying the action potential. Regarding the potassium channels repolarizing the action potential, the molecular identity of the channel families involved was studied. By way of their specialized properties, Kv3 channels strongly contribute to the fact that the physical density of potassium channels can be kept low at the hippocampal mossy fiber.