Dokument: Charakterisierung von Natriumsignalen in neuronalen Kompartimenten

Titel:	Charakterisierung von Natriumsignalen in neuronalen Kompartimenten
Weiterer Titel:	Characterization of sodium signals in neuronal compartments
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=40360
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20161109-111212-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Kleinhans, Christian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,96 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 08.11.2016 / geändert 08.11.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Rose, Christine [Gutachter] Prof. Dr. Gottmann, Kurt [Gutachter]
Stichwörter:	Natrium, Kompartimentierung, Dendriten, Neurone, Synapsen, Diffusion, Spines
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die Aufrechterhaltung einer definierten Ionenverteilung zwischen Intra- und Extrazellulärraum im Gehirn und der daraus folgende elektrochemische Gradient über die Zellmembran ist die Grundvoraussetzung jedes kognitiven Vorganges. Der Natriumgradient im Besonderen dient als Triebfeder einer Vielzahl an Prozessen in Neuronen. Die elektrische Funktion von Nervenzellen wird durch transiente Depolarisation der Zellmembran ermöglicht, die durch einen Natriumeinstrom via liganden- oder spannungsaktivierte Ionenkanäle vermittelt und durch den elektrochemischen Gradienten getrieben wird. Insofern hat das Verhalten von Natrium in der Zelle und die Wechselwirkung mit der intrazellulären Umgebung unmittelbare Auswirkung auf die momentane Signalverarbeitung in Neuronen. Die Depolarisation durch Natrium ist darüber hinaus eng verknüpft mit dem Einstrom sekundärer Botenstoffe wie Calcium. Dadurch spielt Natrium eine Vermittlerrolle bei vielen nachgeschalteten Prozessen wie synaptischer Plastizität und ist mittelbar für die Adaption synaptischer Strukturen verantwortlich. Mithilfe von Zwei-Photonen-Imaging eines natriumsensitiven Farbstoffs, unter Verwendung von Patch-Clamping sowie verschiedener Stimulationsmethoden konnte in dieser Arbeit eine qualitative und quantitative Beschreibung von Natriumsignalen vorgenommen werden. Dabei lag der Fokus auf kleinsten neuronalen Strukturen, auf Dendriten und Spines. Erstmalig wurden Natriumsignale in Spines und Dendriten in Abhängigkeit von deren Morphologie charakterisiert. Insbesondere der Spine Neck verhielt sich in Abhängigkeit seiner Geometrie als Diffusionshindernis, das die Natriumtransienten dämpfte und verzögerte. In Übereinstimmung mit diesen Resultaten lag der experimentell ermittelte apparente Diffusionskoeffizient deutlich unter den in anderen Arbeiten angegebenen Werten, die in größeren Strukturen bestimmt wurden. Die Befunde konnten des Weiteren in einer numerischen Simulation vollumfänglich bestätig werden. Zusammengenommen ist dies ein starkes Indiz für eine biochemische Kompartimentierung von Natrium in Spines und impliziert potentielle Auswirkungen sowohl auf die Anpassung der diffusiven Isolation einzelner Spines durch den Spine Neck als auch auf die elektrische Signalintegration einzelner Synapsen. Eine solche Kompartimentierung konnte bisher lediglich für Calcium gezeigt werden und stellt in Bezug auf Natrium eine entscheidende, neue Erkenntnis dar. Die in dieser Arbeit präsentierten Erkenntnisse sind ein Beitrag zum tieferen Verständnis der Funktion der elementaren signalverarbeitenden Einheiten im Gehirn. Es konnten erstmals starke Hinweise auf die Existenz einer Natriumkompartimentierung in Spines gezeigt werden. Darüber hinaus legen die Resultate den Schluss nahe, dass der Beitrag einzelner Synapsen zur Zellkommunikation durch Anpassung der Spinegeometrie reguliert werden kann. Maintenance of a well-defined distribution of ions between extra- and intracellular space in the brain and the consequential electrochemical gradient across the cell membrane is constitutive of every cognitive capacity. The sodium gradient in particular fuels a multitude of neuronal processes. Transient cell membrane depolarization as a consequence of sodium influx upon ligand- or voltage-gated opening of ion channels is the foundation of electric signaling. Thus, the behavior of intracellular sodium and its interplay with the cellular environment directly affects the ongoing signal processing in neurons. Moreover, depolarization via sodium is closely linked to influx of second messengers such as calcium. Thus, many downstream mechanisms, e.g. synaptic plasticity, are mediated by sodium. As a result, sodium has an indirect influence on the adaptation of synaptic structures. By means of sodium sensitive two-photon imaging combined with patch-clamping techniques and various stimulation procedures, we have qualitatively and quantitatively described sodium signals in neurons. In particular, we focused on spines and dendrites, the smallest neuronal subdomains. For the first time, the dependency of sodium transients on the morphology of these host structures was assessed. Spine necks acted as diffusional barriers which, determined by their geometry, dampened and delayed sodium signals. In accordance with these findings, we have determined an apparent diffusion coefficient which is notably smaller than those shown in other studies that were performed in larger structures. Additionally, our results were confirmed by numerical simulations to its full extent. This strongly indicates a biochemical compartmentalization of sodium in spines and implies potential effects on the regulation of diffusional isolation as well as on electrical integration of single synapses. So far, such a compartmentalization has only been shown for Calcium and represents novel insight with regard to sodium. The results presented in this work are a contribution to understanding the basic functional units of signal processing in the brain. For the first time, experimental evidence on a compartmentalization of sodium in spines is provided. Furthermore, a possible regulation of the contribution of single synapses to cell communication by adapting the spine geometry is conceivable.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie
Dokument erstellt am:	09.11.2016
Dateien geändert am:	09.11.2016
Promotionsantrag am:	29.01.2016
Datum der Promotion:	23.06.2016