Struktur und Funktion der afferenten Synapse innerer Haarzellen der Cochlea

Abstract

Die zu den Bändersynapsen zählende afferente Synapse innerer Haarzellen (IHZ) spielt bei der präzisen Codierung akustischer Reize in neuronale Signale im afferenten Hörnerven eine zentrale Rolle. In dieser kumulativen Dissertation werden anhand von zwei Publikationen (Meyer et al., Nature Neuroscience, 2009; Cui et al., Journal of Physiology, 2007) Untersuchungen zur Struktur und Funktion der Synapse vorgestellt.In der ersten Publikation wird zunächst mit Hilfe von konventioneller konfokaler Mikroskopie an immungefärbten Cochleae von Maus und mongolischer Wüstenrennmaus eine Karte der Synapsen- und afferenten Innervationsdichte der IHZ in Abhängigkeit von ihrer tonotopen Lokalisation erstellt. Dabei zeigt sich, daß die Innervationsdichte in den tonotopen Bereichen des besten Hörens um das etwa 2-3 fache höher liegt als in den Randbereichen. Die Synapsen sind nahezu ausschließlich am basalen Pol der IHZ lokalisiert, zeigen jedoch keine Präferenz zur neuralen oder abneuralen Seite. Zur vergleichenden Quantifizierung ihrer Struktur wurden die Synapsen mittels höchstauflösender 4Pi- und STED-Mikroskopie untersucht. Dabei zeigte sich, das das präsynaptischen Band (Ribbon) einheitlich an verschiedenen tonotopen Orten eine Größe von etwa 360 nm besitzt. Auch das präsynaptische Cluster von Cav1.3-L-Typ-Calciumkanälen zeigte keine relevanten tonotopen Größenunterschiede. Simulationen lieferten eine Strukturabschätzung, die am ehesten mit einem ovalären Diskus mit einem Längsdurchmesser von etwa 420 nm vereinbar ist. Als weitere Struktur wurde das postsynaptische Cluster von AMPA-Typ-Glutamatrezeptoren untersucht. Dieses zeigt eine ringförmige Struktur, die mit der 3-dimensionalen STED-Technik vermessen werden konnte. Der längste Durchmesser beträgt bei apikalen IHZ etwa 880 nm, bei mitt-cochleären etwa 750 nm.Neben der Struktur wurde auch die Funktion der afferenten Synapse untersucht. Mittels Patch-clamp-Technik wurden Calciumstrom und Transmitterfreisetzung in IHZ am apikalen Ende und in der Mitte der Cochlea verglichen. IHZ in der Nähe des Apex zeigen im Mittel etwa 40% weniger Transmitterfreisetzung als solche in den mittleren Abschnitten. Dabei entspricht die Differenz genau dem Faktor, der aufgrund der geringeren Synapsenzahl zu erwarten ist. Der Calciumstrom variiert jedoch kaum. Mit Hilfe von konfokalem Calcium-Imaging nach intrazellulärer Applikation des Calciumindikators Fluo-5N erfolgte die Untersuchung von synaptischen Hot-Spots nach Depolarisation. IHZ unterschiedlicher Lokalisation zeigen dabei wenig Unterschiede in Kinetik und Gesamtcalciumeinstrom. Deutliche Unterschiede finden sich jedoch zwischen Hot-Spots der selben IHZ.In der zweiten Publikation wurde die Rolle der Calcium-binding Proteins (CaBP) auf die Hemmung der calciumabhängigen Inaktivierung des Calciumstroms (CDI) in IHZ untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß CaBP1, 2, 4 und 5 in IHZ exprimiert werden. In CaBP4 knock-out Mutanten findet sich jedoch weder bei der Messung akustisch evozierter Potentiale, otoakustischen Emissionen, in zellulärem Calcium- und Bariumstrom oder der Transmitterfreisetzung ein Defizit gegenüber dem Wildtyp. Im heterologen Expressionssystem zeigt sich außerdem, im Gegensatz zu CaBP1, nur eine schwache Wirkung von CaBP4 auf die CDI von CaV1.3-Kanälen. Da CaBP1 in IHZ mit synaptischen Markern kolokalisiert, vermuten wir, daß dieses Protein möglicherweise die Hemmung der CDI in IHZ vermittelt.