Die Dynamik an der Synapse

Der Fruchtfliegenembryo ist übersichtlich und leicht zugänglich. Und das erleichtert den Wissenschaftlern die Handhabung.

Im Alter von einem Tag legen die Wissenschaftler ihre Larven unter hoch auflösende High-Tech-Mikroskope und schicken sie mit einem herkömmlichen Narkotikum für Minuten in einen Tiefschlaf. Dank der Fortschritte in der konfokalen und Zweiphotonen-Mikroskopie, die störendes Streulicht eliminieren, lassen sich auch tief liegende Gewebestrukturen brillant abbilden. Ganze Serien von Fotos halten nicht nur das anatomische Geschehen an den Synapsen über lange Zeiträume fest, sondern auch das Verhalten, also die zeitliche und räumliche Dynamik der leuchtenden Rezeptoren und anderer Proteine. „Das ist das Besondere“, sagt Sigrist. Diese Methodik verheißt am lebenden Tier Antworten auf wichtige Fragen: Wie schafft es die Zelle, an einem bestimmten Ort neue Synapsen zu bilden? Spalten sich die Synapsen? Oder entstehen sie neu? Welche Rolle spielen die Rezeptoren? Wie verteilen sie sich?

Schon die ersten Ergebnisse haben die Forscher verblüfft. Zuvor gab es Hinweise aus statischen Zellkulturversuchen, dass sich schon existierende Synapsen bei Plastizitätsprozessen teilen. Anders die Synapsen in den Drosophila-Larven: Sie formieren sich immer von Neuem. „Da haben sie auf einmal einen Kern“, sagt Sigrist, „und der wächst dann etwa 24 Stunden lang zu einer bestimmten Größe, ehe er stabil bleibt“. Besonders augenscheinlich lässt sich das beobachten, wenn man die Tiere konkreten Reizen aussetzt – wie etwa einer Art Fitnesstraining. Sport für Fliegen in der Kinderstube! Mit einem Trick überlisten die Forscher ihre eher faul fressenden Zöglinge. Stundenlang drehen sich die Nährplatten mit den Tieren um die eigene Achse. Mithin geraten die Larven leicht kopfüber, was ihnen offenkundig missfällt: Sie bewegen sich daher stetig der Drehrichtung entgegen.

Durch Import von Glutamat-Rezeptoren wachsen die postsynaptischen Rezeptorfelder. Photoaktivierung macht die neu eingetretenen Rezeptoren sichtbar, die sich an neu entstandenen (weiße Pfeile) bzw. stark ausgewachsenen Synapsen (gelbe Pfeile) befinden.

Derlei Sporteinheiten wirken sich dramatisch an der Verbindung von Nerven- zu Muskelzellen aus: Binnen drei Tagen verdoppelt sich die Zahl der Synapsen. „Hier zeigt sich, wie sich ein Mehr an neuronaler Aktivität in ein Mehr an synaptischer Struktur umsetzt“, erklärt Sigrist. Im Zuge dieses Plastizitätsprozesses karrt die Zelle hunderte Glutamat-Rezeptoren an den Ort der neu zu bildenden Synapse. Ganze Rezeptorfelder reifen in einem Tag heran, deren finale Größe charakteristisch für eine Synapse ist. Bei diesen Versuchen haben die Forscher die Mobilität der Glutamat-Rezeptoren live im lebenden Tier an einzelnen Synapsen verfolgen können. Ergebnis: Der Import neuer Rezeptoren kontrolliert das Wachstum der „Empfangsfelder“. Stabile Synapsen hingegen stoppen die Einfuhr der Moleküle.

Dass die Glutamat-Rezeporen für die Funktion der Synapsen unverzichtbar sind, war lange bekannt. Dennoch galten sie eher als Statisten denn als entscheidende Protagonisten der Plastizität. Stephan Sigrist sieht das jetzt anders: „Sie bestimmen, ob und wie eine neue synaptische Struktur gebildet wird.“ Sobald die Wissenschaftler die Rezeptoren mit gentechnologischen Mitteln vermehren, wirkt das wie ein Startschuss für den Bau von Synapsen. Und umgekehrt: Fährt man die Zahl der Rezeptoren herunter, kollabiert das System.