Abstract: Die reizenden und hemmenden Neuronen in der Großhirnrinde bilden miteinander verwobene neuronale Netzwerke. Eine Balance zwischen Reiz und Hemmung in den Netzwerken ist für Gehirnfunktionen kritisch. Wir analysierten die Mechanismen, welche die Reizbarkeit verschiedener Arten von Neuronen und ihre Netzwerke bestimmen. Für einzelne Zellen fanden wir heraus, dass verschiedene Untertypen von spannungsabhängigen Natriumkanälen (Nav) eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung des Aktionspotentials (AP) für Initiierung und Weitergabe spielen. Bei stimulierten Pyramidenzellen (PZ) vermittelt Untertyp Nav 1.6, der auf dem distalen Axon-Initialsegment (AIS) gehäuft auftritt, die AP Initiierung, wohingegen Nav 1.2, welches am proximalen AIS konzentriert vorzufinden ist, eine AP-Rückwärtspropagierung begünstigt.

Bei den hemmenden Interneuronen fanden wir die Expression von Nav 1.1 und Nav 1.6 auf dem AIS der parvalbumin-enthaltenden Neuronen. Zusätzlich zu diesen Kanal-Untertypen beobachteten wir auch eine Expression von Nav 1.2 auf dem AIS der somatostatin-positiven Interneuronen. Die charakteristische Zusammensetzung der Kanal-Untertypen könnte der Schlüssel für die Unterschiede des AP-Schwellenwerts der beiden Zelltypen sein. Auf Ebene des lokalen Netzwerks (Mikroschaltkreis) fanden wir, dass die Depolarisation des Unterschwellenwerts in präsynaptischen PZ eine disynaptische Hemmung in benachbarten PZ erheblich verbessert. Die PZ-Depolarisation resultierte in einer Erleichterung der AP-induzierten EPSPs in Interneuronen, was zu einer erhöhten Reizwahrscheinlichkeit bzw. einem höheren AP-Wert führt, und als Konsequenz verstärkt sich die Hemmung benachbarter Neuronen. Diese Studie bietet Einblicke in die Mechanismen der neuronalen Reizbarkeit und Strategien des kortikalen Netzwerks bei der Ausbalancierung von Reiz und Hemmung.

Über den Gastdozenten

Dr. Yousheng Shu erhielt seinen Doktortitel in Neurobiologie im Jahr 1999 vom Institut für Hirnforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai. Von 1999 bis 2006 war er als Postdoc und dann als Forscher am Fachbereich für Anästhesie und Neurobiologie an der Yale University tätig. Im Jahr 2006 kam er zurück ans Institut für Neurobiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, an dem er Fakultätsmitglied wurde. 2013 wechselte er an die Beijing Normal University und beschäftigte sich mit Neurobiologie und Systemneurologie. Seine Forschungen fokussieren hauptsächlich auf diejenigen Mechanismen, welche die Reizbarkeit der einzelnen Neuronen und ihre Netzwerke bestimmen. Ferner interessiert er sich für Wandlungen der Kanaleigenschaften, Funktionen der Synapsen und Netzwerkaktivitäten in kranken Gehirnen mit dem Ziel eine wirksame Behandlung bei Erkrankung des Gehirns zu finden.