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Neuroforum

Organ der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft

Editor-in-Chief: Wahle, Petra


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ISSN
2363-7013
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Volume 23, Issue 1

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Funktionen der GABAergen Übertragung im unreifen Gehirn

Knut Kirmse
  • Corresponding author
  • BioImaging, Hans-Berger-Klinik für Neurologie, Universitätsklinikum Jena, Am Klinikum 1, 07747 Jena, Tel.: +49 (0)3641 9 325 998, Fax: +49 (0)3641 9 325 902, Web: www.bioimaging.uniklinikum-jena.de/BioImaging.html, Deutschland
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  • BioImaging, Hans-Berger-Klinik für Neurologie, Universitätsklinikum Jena, Am Klinikum 1, 07747 Jena, Tel.: +49 (0)3641 9 323 418, Fax: +49 (0)3641 9 325 902, Web: www.bioimaging.uniklinikum-jena.de/BioImaging.html, Deutschland
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Published Online: 2017-02-10 | DOI: https://doi.org/10.1515/nf-2016-1106

Zusammenfassung

Während γ-Aminobuttersäure (GABA) im adulten Gehirn synaptische Hemmung vermittelt, wirkt es auf unreife Nervenzellen zumeist depolarisierend und teilweise erregend.In-vivo-Studien haben jüngst wesentliche Aspekte dieses Konzeptes bestätigt, zugleich aber deutliche Belege für eine primär hemmende GABA-Wirkung bereits im neonatalen Kortex geliefert. Erste experimentelle Daten deuten an, dass depolarisierende GABA-Antworten für die aktivitätsabhängige Ausreifung neuronaler Schaltkreise in vivo von erheblicher Relevanz sein könnten. Ein kohärentes Bild der Bedeutung GABAerger Synapsen im unreifen Gehirn kann gegenwärtig jedoch nicht gezeichnet werden. Die Aufklärung möglicher entwicklungsbiologischer Funktionen der GABAergen Depolarisation bleibt daher ein wichtiges Anliegen für zukünftige Untersuchungen.

Schlüsselwörter: Entwicklung; Erregung; GABA; Hemmung; in vivo

Einleitung

Der Informationstransfer im zentralen Nervensystem (ZNS) ist im Wesentlichen an die Funktion chemischer Synapsen gebunden. Dabei diktiert das räumlich-zeitliche Muster erregender und hemmender synaptischer Eingänge maßgeblich das Aktivitätsniveau eines Neurons. Wegweisende Arbeiten der 1950 bis 1970er Jahre konnten nachweisen, dass die synaptische Hemmung im Gehirn adulter Säugetiere vor allem durch den Neurotransmitter γ-Aminobuttersäure (GABA) vermittelt wird. Intakte GABAerge Übertragung bildet die Grundlage einer Balance von Erregung und Hemmung, deren Störung im Rahmen zahlreicher ZNS-Erkrankungen bedeutsam ist. In-vitro-Arbeiten haben zudem eine ausgeprägte Entwicklungsabhängigkeit der GABAergen Übertragung aufgedeckt. Im vorliegenden Übersichtartikel werden wir die Grundlagen dieser ontogenetischen Entwicklung beleuchten und insbesondere neue Daten aus In-vivo-Untersuchungen am unreifen Gehirn vorstellen.

GABAerge Hemmung im adulten Gehirn

Schnelle postsynaptische GABA-Effekte werden in erster Linie über ionotrope GABAA-Rezeptoren (GABAAR) vermittelt, die für Chlorid- und in geringerem Maße Bikarbonationen permeabel sind (Bormann et al., 1987) (Abb. 1A). Dabei beruht die GABAAR-vermittelte Hemmwirkung auf zwei Hauptmechanismen: I) Hyperpolarisation (voltage inhibition) und II) Erhöhung der Membranleitfähigkeit (shunting inhibition). Erstere kommt zustande, wenn das Umkehrpotential für GABAAR-abhängige Ströme (EGABA) negativer als das Membranpotential (Vm) ist, und ist daher zwingend an eine niedrige intrazelluläre Chloridkonzentration ([Cl]in) gebunden. Shunting inhibition beruht hingegen auf einem (partiellen) Kurzschluss erregender Membranströme, die zum Beispiel an benachbarten glutamatergen Synapsen generiert werden. Entsprechend dem Ohmschen Gesetz vermindert die lokale Absenkung des Membranwiderstandes die Auslenkung von Vm, und zwar unabhängig von der treibenden elektrochemischen Kraft (DFGABA = Vm – EGABA, driving force). Mit anderen Worten: Selbst depolarisierende GABAAR-vermittelte Ströme können eine Hemmung neuronaler Aktivität zur Folge haben.

Hyperpolarisierende GABAAR-Antworten gehen also mit einem Chlorideinstrom einher, welcher wiederum DFGABA vermindert. Diese Chloridbeladung kann durch die Bikarbonatleitfähigkeit der GABAAR weiter verstärkt werden: Da das Umkehrpotential für Bikarbonationen (ca. –10 mV) deutlich positiver als das Ruhemembranpotential ist, führt die Aktivierung von GABAAR zu einem depolarisierenden Bikarbonatausstrom. Zeitgleich wird die intrazelluläre Bikarbonatkonzentration durch die Aktivität von Carboanhydrasen (Isoformen 2 und 7) stabilisiert (Abb. 1A). Intensive GABAAR-Aktivierung resultiert daher in einem schnellen Kollaps der treibenden Kraft für Chlorid-, nicht aber Bikarbonationen. Dieser Mechanismus kann in adulten Neuronen zu GABAAR-vermittelter Depolarisation führen, welche eine weitere passive Chloridbeladung nach sich zieht (siehe Hübner & Holthoff, 2013).

Zelluläre Grundlagen der GABAAR-Wirkung. 
                     A,
                   Darstellung wichtiger Mechanismen, die an der Festsetzung von EGABA beteiligt sind. Der intrazelluläre pH wird effektiv durch die Hydratisierung von CO2 gepuffert, welche durch Carboanhydrase (CA) 2/7 katalysiert wird. 
                     B,
                   Neokortikale mRNA-Expression von NKCC1 (SLC12A2), KCC2 (SLC12A5), den präsynaptischen GABAergen Markern VGAT (SLC32A1, vesikulärer GABA-Transporter) und GAD65 (GAD2, Glutamatdecarboxylase 65) sowie der γ2-GABAAR-Untereinheit (GABRG2) während der Humanentwicklung. Die gestrichelte Linie entspricht dem normalen Geburtstermin. Schematisch nach Human Brain Transcriptome Project (www.hbatlas.org) (Kang et al., 2011).
Abb. 1:

Zelluläre Grundlagen der GABAAR-Wirkung. A, Darstellung wichtiger Mechanismen, die an der Festsetzung von EGABA beteiligt sind. Der intrazelluläre pH wird effektiv durch die Hydratisierung von CO2 gepuffert, welche durch Carboanhydrase (CA) 2/7 katalysiert wird. B, Neokortikale mRNA-Expression von NKCC1 (SLC12A2), KCC2 (SLC12A5), den präsynaptischen GABAergen Markern VGAT (SLC32A1, vesikulärer GABA-Transporter) und GAD65 (GAD2, Glutamatdecarboxylase 65) sowie der γ2-GABAAR-Untereinheit (GABRG2) während der Humanentwicklung. Die gestrichelte Linie entspricht dem normalen Geburtstermin. Schematisch nach Human Brain Transcriptome Project (www.hbatlas.org) (Kang et al., 2011).

Neuronale Chloridextrusion

Neurone sind daher auf Mechanismen der Chloridextrusion angewiesen, um die Effektivität synaptischer (nicht notwendigerweise hyperpolarisierender) Inhibition aufrechtzuerhalten. Die neuronale Chloridextrusion beruht vor allem auf einem elektroneutralen, sekundär-aktiven K+/Cl-Kotransport (Misgeld et al., 1986) (Abb. 1A). Dieser ist in den meisten Neuronen des adulten ZNS durch den K+/Cl-Kotransporter KCC2 (SLC12A5) repräsentiert (Rivera et al., 1999; Hübner et al., 2001). Zudem können Na+-abhängige (zum Beispiel NCBE und NDCBE, Na + -dependent chloride-bicarbonate exchanger) sowie Na+-unabhängige (zum Beispiel AE3, anion exchanger 3) Cl/HCO 3 Austauscher die [Cl]in modulieren (Hübner & Holthoff, 2013). Ferner sind Chloridkanäle in die Regulation der [Cl]in involviert, indem sie bestehende Gradienten durch passiven Ionenfluss vermindern. Beispielhaft sei der einwärts gleichrichtende Chloridkanal ClC2 genannt, der in hippokampalen Pyramidenzellen wesentlich zur Ruhemembranleitfähigkeit beiträgt und an der passiven Chloridextrusion nach aktivitätsinduzierter Chloridbeladung beteiligt ist (Rinke et al., 2010).

Ontogenetische Veränderungen der Chloridhomöostase

Es wird häufig übersehen, dass die niedrige [Cl]in eine Spezialisierung reifer ZNS-Neurone und zugleich eine zellbiologische Ausnahme darstellt. Diese trifft für unreife Nervenzellen nicht zu. Wegweisende Arbeiten der 1990er Jahre haben einen ausgeprägten Anstieg der neuronalen Chloridextrusion im Verlauf der frühen postnatalen Entwicklung nachgewiesen (Luhmann & Prince, 1991). Dieser ist vor allem auf eine Zunahme der KCC2-Expression zurückzuführen (Rivera et al., 1999; Hübner et al., 2001) (Abb. 1B). Welche Folgen hat die geringe Kapazität der Chloridextrusion für die GABAerge Übertragung im unreifen ZNS? Umfangreiche In-vitro-Studien belegen, dass GABA unreife Neuronen meist depolarisiert (Ben-Ari et al., 1989). Dieser Befund wurde durch diverse elektrophysiologische und optische Messmethoden bestätigt, welche die [Cl]in nicht beeinflussen (Owens et al., 1996; Yamada et al., 2004; Achilles et al., 2007; Kirmse et al., 2010; Tyzio et al., 2011). Wesentliche Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen lauten: 1) EGABA ist in unreifen Neuronen typischerweise weniger negativ als das Ruhemembranpotential, weshalb die DFGABA depolarisierend wirkt); 2) GABA kann in unreifen Neuronen Aktionspotentiale auslösen; 3) [Cl]in nimmt im Verlauf der postnatalen Entwicklung deutlich ab.

Insofern nicht allein von einem Bikarbonatstrom getragen, reflektiert die GABAAR-abhängige Depolarisation eine nicht-passive Chloridverteilung. Letztere resultiert aus einer sekundär-aktiven Chloridakkumulation, die wesentlich durch den elektroneutralen Na+/K+/2Cl-Kotransporter NKCC1 (SLC12A2) bedingt ist (Yamada et al., 2004; Sipilä et al., 2006; Wang & Kriegstein, 2008; Pfeffer et al., 2009). Ferner konnte in Hirnschnitten gezeigt werden, dass NKCC1 essentiell für die Generierung bestimmter Formen synchronisierter Netzwerkaktivität (sogenannter giant depolarizing potentials) ist (Ben-Ari et al., 1989; Pfeffer et al., 2009). Insgesamt führten die Befunde zur weithin anerkannten Schlussfolgerung, dass GABA als wichtiger (eventuell wichtigster) exzitatorischer Transmitter des heranreifenden Gehirns fungiert. Während frühere Untersuchungen an Nagern mehrheitlich eine Abnahme der NKCC1-Expression über die postnatale Entwicklung berichteten (für eine Übersicht siehe Kirmse et al., 2011), konnte dies durch jüngere quantitative Untersuchungen an humanem Material nicht bestätigt werden (Kang et al., 2011) (Abb. 1B). In welchem Maße weitere Chloridtransporter in die Aufrechterhaltung einer depolarisierenden DFGABA in unreifen Neuronen involviert sind, kann aktuell nicht abschließend beurteilt werden (Hübner & Holthoff, 2013).

Die Problematik von Steady-state -Messungen in In-vitro -Modellen

Typische Werte für EGABA in neonatalen Neuronen in vitro belaufen sich auf –60 bis –30 mV. Folglich operiert NKCC1 nicht im thermodynamischen Gleichgewicht (in dem ECl ~–10 mV), sondern vermittelt einen Nettoeinwärtstransport. Die Abweichung ist auf ein dynamisches Fließgleichgewicht zwischen Chloridtransport und passiven Chloridströmen durch Ionenkanäle zurückzuführen, in welchem Änderungen der Chloridleitfähigkeit (gCl ) und/oder Chloridtransportrate zu Änderungen der [Cl]in und damit EGABA führen. Hinzu kommt, dass elektrophysiologische Analysen eine geringe Kapazität der NKCC1-vermittelten Chloridakkumulation ergaben (Achilles et al., 2007). An Hirnschnitten gewonnene Daten belegen beispielsweise, dass eine vermehrte synaptische GABAAR-Aktivierung DFGABA stark vermindern kann (Kolbaev et al., 2011). Die frühe Netzwerkaktivität tritt typischerweise in Form diskreter Ereignisse auf, welche große Neuronenpopulationen synchronisieren und mit Salven GABAAR-vermittelter postsynaptischer Ströme (PSC, postsynaptic currents) einhergehen (Khazipov et al., 2004; Kummer et al., 2016). Daher kann o. g. ionale Plastizität für die aktivitätsabhängige Modulation GABAerger Übertragung in vivo von erheblicher Bedeutung sein. Zudem wird deutlich, dass EGABA im intakten Gehirn nicht aus In-vitro-Schätzwerten abgeleitet werden kann. Um die zellulären Funktionen GABAerger Übertragung beurteilen zu können, sind In-vivo-Messungen folglich von elementarer Wichtigkeit.

Zelluläre und Netzwerkwirkungen GABAerger Übertragung im unreifen ZNS in vivo

Vor dem Hintergrund fehlender In-vivo-Daten wurde das Konzept der GABAergen Depolarisation/Exzitation grundsätzlich in Frage gestellt. Konkret wurde postuliert, dass die depolarisierende GABA-Wirkung I) aus einer energetischen Deprivation der In-vitro-Präparationen resultiere (Rheims et al., 2009) oder II) Folge der traumatischen Schädigung von Hirnschnitten sei (Dzhala et al., 2012). Die vorgebrachten Einwände konnten jedoch in unabhängigen Studien widerlegt bzw. nicht bestätigt werden (für weiterführende Darstellungen siehe Kirmse et al., 2011; Ben-Ari et al., 2012).

Jüngste Untersuchungen an In-vivo-Präparationen haben unser Verständnis der GABA-Wirkung im intakten unreifen Gehirn beachtlich erweitert. So gelang Zhang und Kollegen mittels Perforated-patch-clamp-Ableitungen der Nachweis einer depolarisierenden GABA-Wirkung in retinalen Ganglienzellen des Zebrafisches (Zhang et al., 2010). Hierbei zeigte sich ein Wechsel von de- zu hyperpolarisierender GABA-Wirkung zwischen Tag 2 und 3 nach Fertilisation, welcher zeitlich mit der Ausbildung sensorisch-evozierter PSC überlappte. Unterschwellig depolarisierende GABAerge Eingänge konnten kürzlich auch im optischen Tektum von Kaulquappen des Krallenfrosches nachgewiesen werden (van Rheede et al., 2015).

Cell-attached-Registrierungen von Neuronen der kortikalen Schicht 2/3 in 3–4 Tage alten Mäusen lieferten jüngst den ersten direkten Nachweis GABAerger Depolarisation im intakten Säugerhirn (Kirmse et al., 2015). 2-Photonen-Ca2+-Imaging legte zudem nahe, dass die GABAerge Depolarisation auch in vivo entscheidend von NKCC1 abhängt. Ein überraschendes Ergebnis dieser Studie war, dass die alleinige GABAAR-Aktivierung keine Aktionspotentiale induzierte. Diese Beobachtung impliziert eine vorwiegend unterschwellige GABAerge Depolarisation in vivo – im Gegensatz zu Befunden in vitro (Achilles et al., 2007; Kirmse et al., 2010). Welche Konsequenzen hat dies für die frühe Netzwerkaktivität? Zur Klärung der Frage bedienten sich Valeeva und Kollegen jüngst einer optogenetischen Strategie, indem sie Channelrhodopsin-2 in GABAergen Interneuronen exprimierten und glutamaterge PSC ableiteten (Valeeva et al., 2016). Letztere fungieren dabei als Maß für die Aktivität der präsynaptischen glutamatergen Neurone. Die Stimulation GABAerger Interneurone steigerte die Frequenz glutamaterger PSC in akuten Hirnschnitten, reduzierte sie hingegen in vivo. Die Ergebnisse lieferten einen überzeugenden Beleg für eine primär hemmende GABA-Wirkung in vivo bereits in der Neonatalperiode und zeigten eine erhebliche Diskrepanz zum Hirnschnittmodell auf. Welche Faktoren diese Diskrepanz bedingen, bleibt gegenwärtig spekulativ, wenngleich die gCl -abhängige Verschiebung von EGABA eine plausible Möglichkeit darstellt.

Eine Hauptform koordinierter Netzwerkaktivität im neonatalen Neokortex in vivo sind sogenannte Spindle bursts bzw. Ca2+-Cluster, welche niederfrequent auftreten und kortikale Neurone kolumnenartig aktivieren (Khazipov et al., 2004; Kummer et al., 2016). Im Einklang mit der Schlussfolgerung, dass Inhibition die primäre Funktion GABAerger Übertragung auf Netzwerkebene darstellt, erhöhte eine lokale GABAAR-Blockade die Frequenz und horizontale Ausdehnung dieser Netzwerkereignisse sowohl im somatosensorischen (Minlebaev et al., 2007) als auch im okzipitalen (Kirmse et al., 2015) Kortex. Interessanterweise war die Generierung der Ca2+-Cluster bzw. Spindle bursts weitgehend unabhängig von NKCC1 (Minlebaev et al., 2007; Kirmse et al., 2015). Es kann gegenwärtig nicht abschließend beurteilt werden, inwiefern die Verhältnisse im Neokortex auch auf andere Hirnareale zutreffen. Beispielsweise führte die systemische Gabe des NKCC1/2-Inhibitors Bumetanid zu einer vollständigen Unterdrückung von Sharp waves im neonatalen Hippokampus in vivo (wie auch von giant depolarizing potentials in vitro), was im Sinne einer Notwendigkeit depolarisierender GABAerger Übertragung für die Generierung koordinierter Netzwerkaktivität gedeutet wurde (Sipilä et al., 2006). Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass Bumetanid die Blut-Hirn-Schranke allenfalls in geringem Maße überwindet. Es bleibt daher unklar, ob der beobachtete Effekt tatsächlich auf eine Abschwächung der GABAergen Depolarisation oder eine periphere Wirkung von Bumetanid zurückzuführen ist.

Entwicklungsbiologische Funktionen der GABAergen Depolarisation in vivo

Warum verfügen unreife Neurone über eine geringe Kapazität der Chloridextrusion, die zu GABAAR-abhängiger Depolarisation prädisponiert? Diese Frage ist freilich teleologischer Natur. Dennoch sollen im Folgenden drei mögliche Szenarien diskutiert werden.

Szenario 1: Das bestehende Maß an Chloridextrusion ist für die Aufrechterhaltung einer effektiven GABAergen Inhibition ausreichend.

Diese Variante könnte als Trivialfall angesehen werden, wird aber expressis verbis kaum diskutiert. Der zugrunde liegende provokative Hauptgedanke lautet, dass eine spezifische Notwendigkeit für depolarisierende (sic!) GABAerge Übertragung nicht existiert. Dieses Szenario fußt auf den dargestellten In-vivo-Daten, welche GABA als hemmenden Transmitter des unreifen Gehirns ausweisen, und fehlenden direkten Belegen für GABAerge Exzitation in vivo. Die über die postnatale Entwicklung beobachtete Zunahme der Chloridextrusion könnte demnach im Wesentlichen einen gesteigerten Bedarf reflektieren, welcher durch einen immensen Anstieg der GABAergen Synapsendichte im gleichen Zeitraum entsteht (Abb. 1B). Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Aufrechterhaltung einer niedrigen [Cl]in durch KCC2 energetisch aufwendig ist, da der Kotransport vom elektrochemischen Kaliumgradienten und somit von der Aktivität der Na+/K+-ATPase abhängt. Dieser Aspekt dürfte insbesondere für die Periode des strukturellen Hirnaufbaus bedeutsam sein.

Szenario 2: Die geringe Kapazität der Chloridextrusion prädisponiert zu exzitatorischen GABA-Antworten, welche für die Generierung früher Netzwerkaktivität entscheidend sind.

Dieses Szenario wird durch umfangreiche Befunde aus In-vitro-Untersuchungen bestätigt, die GABA als wichtigen exzitatorischen Neurotransmitter der frühen ZNS-Entwicklung ausweisen (Kirmse et al., 2011). Exzitatorische GABA-Effekte hängen entscheidend von aktiver Chloridakkumulation ab und kommen näherungsweise dann zustande, wenn EGABA positiver als die Aktionspotentialschwelle ist. Wie oben dargestellt, wird diese These andererseits durch die gegenwärtig vorhandenen Befunde aus In-vivo-Untersuchungen am intakten ZNS kaum unterstützt (siehe aber Sipilä et al., 2006). Weitere einzelzelluläre Untersuchungen am intakten unreifen Hirn sind dringend nötig, um abschließend über diese Hypothese und die sich aktuell darstellende Diskrepanz zwischen In-vitro- und In-vivo-Ergebnissen entscheiden zu können.

Szenario 3: Die geringe Kapazität der Chloridextrusion ermöglicht depolarisierende GABA-Antworten, die entwicklungsbiologisch bedeutsam sind, deren primäre Funktion aber nicht in postsynaptischer Erregung besteht.

Worin besteht die mögliche entwicklungsbiologische Relevanz einer zumeist unterschwelligen GABAergen Depolarisation in vivo? GABAAR-Aktivierung in neonatalen Neuronen in vitro kann NMDA-Rezeptor-(NMDAR-) abhängige Ströme durch eine Verminderung des spannungsabhängigen Mg2+-Blocks verstärken (Leinekugel et al., 1997). Dies ist insofern bedeutsam, als GABA dadurch NMDAR-abhängige Formen synaptischer Plastizität begünstigen könnte. Viele glutamaterge Synapsen unreifer Neurone verfügen initial lediglich über postsynaptische NMDAR, nicht aber AMPA-Rezeptoren (AMPAR). Experimentell können diese durch Paarung von präsynaptischer Glutamatfreisetzung mit postsynaptischer Depolarisation binnen Minuten in funktionelle AMPAR-/NMDAR-Synapsen konvertiert werden (Durand et al., 1996). Prinzipiell sind GABAAR geeignet, die hierfür notwendige postsynaptische Depolarisation zu vermitteln (Abb. 2). Dieses Konzept wird bestätigt durch Untersuchungen im unreifen Kortex der Maus, in denen ein Knockdown von NKCC1 eine drastische Verminderung der Frequenz AMPAR-vermittelter PSC im Alter von 2 bis 3 postnatalen Wochen sowie eine deutlich verminderte Dichte dendritischer Dornfortsätze (Spines) zur Folge hatte. Diese synaptischen Defizite konnten zudem durch Expression einer spannungsunabhängigen NMDAR-Mutante verhindert werden (Wang & Kriegstein, 2008). Die systemische Gabe des NKCC1-Inhibitors Bumetanid bei Ratten führte bei täglicher Verabreichung von Embryonaltag 15 bis zum Postnataltag (P) 7 zu ähnlichen Effekten, blieb jedoch bei ausschließlicher Verabreichung in der Postnatalperiode wirkungslos (Wang & Kriegstein, 2011). Auf die Problematik der äußerst geringen Blut-Hirn-Schrankengängigkeit und peripherer Effekte von Bumetanid wurde bereits hingewiesen. Letzteres gilt auch für die Beobachtung, dass die systemische Applikation von Bumetanid (P3–7) bei Ratten zu einer moderaten Verlängerung der kritischen Periode für okulare Dominanzplastizität führte (Deidda et al., 2015). Diese ging mit einer verzögerten Reifung ausschließlich GABAerger Synapsen einher, während die Ausreifung glutamaterger Kontakte, die Dendritenmorphologie und das Sehvermögen davon unberührt blieben.

Modell der Fazilitierung NMDAR-abhängiger synaptischer Plastizität durch depolarisierende GABAerge Übertragung. Unreife glutamaterge Synapsen besitzen initial nur NMDAR (links). Die GABAAR-vermittelte Depolarisation verstärkt den Ca2+-Einstrom via NMDAR durch Abschwächung des spannungsabhängigen Mg2+-Blocks. Paarung von Glutamatfreisetzung und GABAerger Depolarisation führt zu einem Einbau von AMPAR in die postsynaptische Membran. Dies „aktiviert“ die Postsynapse, welche nun auch nach alleiniger Glutamatfreisetzung postsynaptische Ströme generieren kann (synapse unsilencing). In reifen glutamatergen Synapsen (rechts) werden NMDAR-abhängige Ca2+-Signale lokal über die AMPAR-bedingte Depolarisation verstärkt.
Abb. 2:

Modell der Fazilitierung NMDAR-abhängiger synaptischer Plastizität durch depolarisierende GABAerge Übertragung. Unreife glutamaterge Synapsen besitzen initial nur NMDAR (links). Die GABAAR-vermittelte Depolarisation verstärkt den Ca2+-Einstrom via NMDAR durch Abschwächung des spannungsabhängigen Mg2+-Blocks. Paarung von Glutamatfreisetzung und GABAerger Depolarisation führt zu einem Einbau von AMPAR in die postsynaptische Membran. Dies „aktiviert“ die Postsynapse, welche nun auch nach alleiniger Glutamatfreisetzung postsynaptische Ströme generieren kann (synapse unsilencing). In reifen glutamatergen Synapsen (rechts) werden NMDAR-abhängige Ca2+-Signale lokal über die AMPAR-bedingte Depolarisation verstärkt.

Eine geringe Verzögerung in der Entwicklung glutamaterger und GABAerger Synapsen wurde darüber hinaus für hippokampale Pyramidenzellen in NKCC1-Knockout-Mäusen nachgewiesen (Pfeffer et al., 2009). Bei der Interpretation muss berücksichtigt werden, dass der konstitutive NKCC1-Knockout einen schweren Phänotyp entwickelt, welcher nicht primär auf fehlender neuronaler NKCC1-Expression beruht. Ein alternativer experimenteller Ansatz, die GABAerge Depolarisation zu unterbinden, besteht in der vorzeitigen Expression von KCC2. Hierbei kommt komplizierend hinzu, dass KCC2 über Interaktionen mit dem Zytoskelett an der Ausreifung dendritischer Spines beteiligt ist. In der Tat führte die KCC2-Überexpression via In-utero-Elektroporation zu einem massiven Anstieg der Dichte dendritischer Spines.Dieser konnte durch Expression einer transport-defizienten KCC2-Mutante imitiert werden und war von Änderungen der Chloridhomöostase unabhängig (Fiumelli et al., 2013).

Die beschriebene GABAAR-NMDAR-Interaktion wird als synapsenspezifisch erachtet (Durand et al., 1996) und ist möglicherweise nicht von überschwelliger Erregung der postsynaptischen Zelle abhängig. Belege dafür sind jüngst im optischen Tektumvon Xenopus laevis gewonnen worden (van Rheede et al., 2015). Zu Beginn der sensorischen Periode führte die visuelle Stimulation in vielen tektalen Neuronen nicht zur Generierung von Aktionspotentialen, jedoch konnte visuelles Training innerhalb von Minuten unter- in überschwellige Antworten umwandeln. Dieser Prozess beruhte auf einer selektiven Zunahme AMPAR-abhängiger PSC und wurde in vivo durch Antagonisten von NKCC1 oder NMDAR aufgehoben. Interessanterweise wurden depolarisierende GABA-Antworten ausschließlich in denjenigen Neuronen beobachtet, welche unterschwellig auf visuelle Reizung reagierten. Diese Daten belegen beispielhaft eine entwicklungsbiologische Funktion GABAerger Depolarisation im optischen Tektum, welche nicht von postsynaptischer Exzitation abhängt (van Rheede et al., 2015).

Schlussbemerkungen

Es ist anzunehmen, dass keines der o. g. Szenarien die Funktionen GABAerger Übertragung im unreifen Gehirn hinlänglich beschreibt. Es wird zudem ersichtlich, dass ein kohärentes Bild dieser Funktionen gegenwärtig nicht gezeichnet werden kann. Letzteres ist partiell der mangelnden Spezifität bestimmter experimenteller Manipulationen geschuldet, gegebenenfalls aber auch als Ausdruck der Komplexität der GABA-Wirkung (in verschiedenen Hirnarealen, Zelltypen, subzellulären Kompartimenten etc.) zu verstehen. Dennoch mehren sich Hinweise für eine entwicklungsphysiologische Notwendigkeit depolarisierender GABAerger Übertragung im unreifen Gehirn. Inwiefern die GABAerge Depolarisation für synaptische Erregung in vivo relevant ist, ist eine interessante Frage für zukünftige Untersuchungen. Wichtig bleibt festzuhalten, dass GABAerge Übertragung auch im unreifen Gehirn synaptische Hemmung vermittelt. Wir postulieren daher, dass eine Balance von GABAerger Depolarisation und Hemmung für die regelgerechte Ausreifung neonataler neuronaler Schaltkreise essentiell ist.

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About the article

Knut Kirmse

Knut Kirmse (geboren 1981) studierte Humanmedizin an der Berliner Charité. Am dortigen Institut für Neurophysiologie promovierte er bei Rosemarie Grantyn und Sergei Kirischuk über GABAerge Synapsen in der Hirnentwicklung. Für seine Dissertation erhielt er den Robert-Koch-Preis der Charité. Nach zweijähriger Postdoktorandenzeit wechselte er 2009 in die Abteilung BioImaging von Knut Holthoff und Otto W. Witte am Universitätsklinikum Jena. Sein wissenschaftliches Interesse gilt der Physiologie der Hirnentwicklung, insbesondere im Hinblick auf die Bedeutung GABAerger Übertragung sowie die Funktionen kortikaler Pionierneurone. Seit 2013 leitet Knut Kirmse eine Nachwuchsgruppe an der Hans-Berger-Klinik für Neurologie Jena, im Jahr 2014 erhielt er die Venia legendi für Neurowissenschaften.

Knut Holthoff

Knut Holthoff (geboren 1964) studierte Biologie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. An der dortigen Klinik für Neurologie promovierte er bei Otto W. Witte über intrinsische optische Signale in Hirnschnitten der Ratte. Nach einer zweijährigen Postdoktorandenzeit wechselte er 1998 in das Labor von Rafael Yuste an der Columbia University in New York. Dort untersuchte er mit Hilfe der 2-Photonen-Kalzium-Bildgebung dendritische Mechanismen synaptischer Plastizität. Er setzte seine Studien ab 2001 im Labor von Arthur Konnerth an der Ludwig-Maximilians-Universität in München fort und erhielt an der Technischen Universität München im Jahr 2007 die Venia legendi für Neurowissenschaften. Sein wissenschaftliches Interesse gilt der Physiologie synaptischer Übertragung und den Mechanismen neuronaler Netzwerkaktivität im Gehirn. Im Jahr 2008 nahm er den Ruf auf die Professur für Experimentelle Neurologie am Universitätsklinikum Jena an.


Published Online: 2017-02-10

Published in Print: 2017-02-01


Citation Information: e-Neuroforum, Volume 23, Issue 1, Pages 30–37, ISSN (Online) 1868-856X, ISSN (Print) 0947-0875, DOI: https://doi.org/10.1515/nf-2016-1106.

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