Mechanisms of posttetanic potentiation and its possible role in maturation of the calyx of Held synapse

Abstract

In dieser Arbeit wurde eine bisher übersehene Form der synaptischen Kurzzeit-Plastizität am Heldschen Calyx, einer glutamatergen Synapse im auditorischen Hirnstamm, indentrifiziert.Stimulation der afferenten Fasern, welche die präsynaptische Calyces bilden, mit hochfrequenten Stimulationsreizzügen (100 Hz für 1 8 s), induzierte eine robuste Potenzierung der exzitatorischen postsynaptischen Ströme (EPSCs, excitatory postsynaptic currents), welche synaptischer Depression der EPSCs während des Reizzuges folgte. Diese transiente Potenzierung der synaptischen Transmission an der Heldschen Calyx-Synapse teilte mehrere Eigenschaften mit post-tetanischer Potenzierung (PTP), welche bereits an anderen Synapsen beschrieben wurde. Während des Maximums der post-tetanischen Potenzierung beobachteten wir eine Verdopplung der synaptischen Übertragungsstärke. Die Abfallszeitkonstante der post-tetanischen Potenzierung, welche von der Länge des Stimulationsreizzugs abhing, lag zwischen zehn Sekunden und einer Minute. Eine unveränderte Miniatur-EPSC-Amplitude während des PTP-Maximums, sowie der Befund der Unterdrückung von PTP durch präsynaptische Ganzzellableitungen, deuteten auf einen präsynaptischen Ursprung von PTP hin.Im Vergleich zu einer älteren Altersgruppe (postnataler Tag 4 14, P9 P14), konnte PTP leichter in Synapsen junger Ratten (P4 7) induziert werden. Dies führte zu der Annahme, dass PTP während der Entwicklung reguliert werden könnte, und dass sie eine Rolle während der Ausbildung bzw. Reifung der Heldschen Calyx spielen könnte. Als nächstes erforschten wir mögliche Mechanismen, die PTP zu Grunde liegen könnten. Der erste Befund war, dass PTP primär durch eine Zunahme der Freisetzungswahrscheinlichkeit von Vesikeln des Reservoirs an freisetzungskompetenten präsynaptischen Vesikeln ( readily releasable pool , RRP) vermittelt wird. Gleichzeitig fanden wir keine Veränderung in der Größe des RRPs. Zweitens observierten wir, dass eine überraschend geringe Erhöhung (~ 80 nM während des PTP-Maximums) des residualen, räumlich gemittelten, präsynaptischen Ca2+-Signals ([Ca2+]i) für die Induktion von PTP verantwortlich war. Die große Potenz der geringen [Ca2+]i-Erhöhung während PTP, und der Befund der Unterdrückung von PTP durch präsynaptische Ganzzellableitungen (welche von einem schnelleren Abfall des [Ca2+]i-Signals begleitet wurde) legten nahe, dass zusätzlich zu Ca2+ weitere präsynaptische Botenstoffe (messengers) in PTP involviert sein könnten. Deshalb testeten wir die Proteinkinase C/Munc-13-Transduktionskaskade. Durch pharmakologische Manipulation konnten wir feststellen, dass Proteinkinase C eine Rolle in der Induktion von PTP am Heldschen Calyx spielt.Folglich ist der Heldsche Calyx eine sehr plastische Synapse, welche mehrere Kurzzeit-Plastizitätsformen aufweist, die denen anderer Synapsen im zentralen Nervensystem sehr ähneln. Die Möglichkeit direkter präsynatischer Ableitungen an dieser Synapse werden in Zukunft ein besseres Verständnis der Mechanismen von Kurzzeit-Potenzierung ermöglichen.