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Knopp, Marcus (2014): Analysis of spine plasticity in CA1 hippocampal pyramidal neurons employing live cell nanoscopic imaging. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie
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Abstract

In der Großhirnrinde von Säugetieren befindet sich die Mehrheit erregender Synapsen auf Dornfortsätzen, kleinen dendritischen Ausbuchtungen, die in Größe und Form stark variieren. Die Auslösung aktivitätsabhängiger synaptischer Langzeitplastizität geht mit strukturellen Veränderungen dendritischer Dornen einher. Da das beugungsbegrenzte Auflösungsvermögen konventioneller Lichtmikroskope nicht ausreicht um die Morphologie der Dornen verlässlich zu untersuchen, stellte die Elektronenmikroskopie bisher das wichtigste bildgebende Verfahren zur Erforschung von struktureller Plastizität dar, blieb dabei jedoch auf die Betrachtung fixierter Gewebeproben beschränkt. Die Anwendung hochauflösender Laser-Raster-Mikroskopie mit Stimulierter-Emissions-Auslöschung hat es mir möglich gemacht, die Dynamik dendritischer Dornenmorphologie in lebenden Zellen zu studieren. Die N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor-abhängige Langzeitpotenzierung von Pyramidenzellen der Cornu-Ammonis Region 1 des Hippocampus bildete dabei den Mechanismus, welcher plastische Veränderungen hervorrief. Nach Potenzierung exzitatorischer Synapsen durch die lokale Ultraviolett-Photolyse von caged-Glutamat wurde ein starker, vorübergehender Anstieg des Anteils dendritischer Dornen mit sichelförmigen Köpfen und ein leichter, anhaltender Zuwachs an pilzförmigen Dornfortsätzen über einen Zeitraum von 50 Minuten beobachtet. Meine Untersuchungen ergänzen frühere Studien zur Wechselbeziehung zwischen synaptischer Potenzierung und struktureller Plastizität dendritischer Dornen und korrespondieren mit dem aktuellen Kenntnisstand der zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen.

Abstract

The majority of excitatory synapses in the cortex of mammalian brains is situated on dendritic spines, small protrusions, heterogeneous in size and shape. The induction of activity-dependent long-term synaptic plasticity has been associated with changes in the ultrastructure of spines, particularly in size, head shape and neck width. Since the dimensions of dendritic spines are at the border of the diffraction-limited resolving power of conventional light microscopes, until recently, electron microscopy on fixed tissue constituted the primary method for investigations on spine morphology. I have employed live cell stimulated emission depletion imaging to analyse spine motility and structural transitions in response to n-methyl-d-aspartate receptor dependent long-term potentiation over time at super-resolution in Cornu Ammonis area 1 pyramidal neurons of the hippocampus. Local induction of long-term potentiation via ultraviolet photolysis of caged glutamate facilitated a strong transient increase in the proportion of spines with curved heads and a subtle persistent growth in the amount of mushroom spines over a time course of 50 minutes. My findings reinforce previous investigations on the relation of synaptic potentiation and spine motility, and are in good agreement with the current knowledge of the molecular mechanisms underlying long-term plasticity.