Molekulare Grundlagen des Lernen und Erinnerns

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Molekulare Grundlagen des
Lernen und Erinnerns
Michael Kiebler
Abt. Neuronale Zellbiologie
Zentrum für Hirnforschung
michael.kiebler@meduniwien.ac.at
www.meduniwien.ac.at/kieblerlab
Montag, den 27.4.2009
Heutige Themen
1. Einführung: historischer Exkurs in die Hirnforschung im
allgemeinen und in die Gedächtnisforschung im speziellen
2. Hauptteil: Patient HM - Hippokampus - Synapse Pawlow‘sche Konditionierung - Elektrophysiologie/LTP 2-Photonen-Mikroskopie - dendritic spines - Molekküle
3. Ausblick:
 Viagra fürs Gehirn“ (Eric Kandel‘s Firma Memory
Pharmaceuticals)
 Gedächtnispillen: z. B. Ritalin
 Genetische Eingriffe ?
2
Lernen & Gedächtnis
Eric R. Kandel
Nobelpreis für Physiologie &
Medizin, 2001
New York Times Magazine
„Das Gedächtnis manipulieren: das Rennen
hat begonnen, Pharmaka zu entwickeln, die es
uns erlauben werden, uns an das Gute zu
erinnern - und das Böse zu vergessen“
3
Herz oder Kopf
1.
Platon (429 - 348 vor Christus): Die Seele befindet sich an den folgenden 3
Stellen im Körper:
- den Intellekt findet man im Kopf (revolutionär!)
- Ärger, Angst, Mut, Stolz im Herzen
- die Lust, die Trauer und die “niedrigen Empfindungen” in der Leber und in den
Gedärmen
2.
Aristoteles (384 - 322 vor Christus):
- die Funktion des Gehirns ist hauptsächlich die Kontrolle der einkommenden Gefühle
vom Herzen
3.
Nemesius (ca. 390 D.C.):
- die Empfindungen, das Denken und das Gedächtnis befindet sich in den Ventrikeln
des Gehirns
4
Frühe Lobotomie-Versuche
Fund aus Peru
Musée de l’Homme, Paris
Ca. 2000 - 3000 Jahre alt
Ca. 10,000 Schädelfunde
Überlebensrate: 84 %
5
Phrenologie: das Gehirn ist das Zentrum
für alle mentalen Funktionen
 Phrenologie: Lehre vom Geist, Gemüt
 Begründer: Franz Josef Gall
 Zuordnung geistiger Eigenschaften und
Zuständen zu bestimmten Hirnarealen
 Annahme: Zusammenhang zwischen
Schädel- und Gehirnform und Charakter
bzw. Geistesgaben
 Gall: das Gehirn als den Sitz aller
geistigen Tätigkeit des Menschen
 Charakter, Gemüt und Intelligenz als
Resultat aus dem Zusammenspiel der
geistigen Anlagen
 Damals wurde die erstellte Diagnose
eines 6-Jährigen für die Berufswahl
verwendet
Bewußtsein
http://www.bc.edu/bc_org/avp/cas/fnart/phrenology/phrenology_frames.html
Phrenologie: spätere Forschungen
 Der französische
Anthropologe Paul Broca
und der deutsche
Neurologe Carl Wernicke
identifizierten im späteren
19. Jahrhundert
Gehirnregionen, die bei
der Spracherzeugung und
dem Sprachverständnis
wichtig sind.
Das menschliche Gehirn von links gesehen
7
Der Patient H.M.




* 1926 in Connecticut, USA
Fahrradunfall im Alter von 9 Jahren
Starke epileptische Anfälle
Operation 1953 durch William Scoville
 große Teile des sogenannten limbischen System, u.a.
Amygdala, anteriore 2/3 des Hippocampus, Gyrus
parahipppocampalis wurden entfernt
 Resultat der Operation (Brenda Milner):
 kaum noch epileptische Anfälle
 Starke anterograde Amnäsie
HM: Henry Molaison, verstarb letzten Dezember im Alter von 82 Jahren
HM‘s obituary: http://www.nytimes.com/2008/12/05/us/05hm.html
8
Hippocampus (Ammonshorn)
Hippocampus
as relay
station
Ramón y Cajal, ca. 1880
9
MR des Patienten H.M.
HM
MR von 1997: Corkin et al., (1997) J. Neurosci.
http://www.jneurosci.org/cgi/content/full/17/10/3964
WT
10
HM und Telefonnummern
11
Bilaterale mediale Lobektomie
Fakten:
- Langzeiterinnerungen betroffen
- HM kann aber Dinge im Kurzzeitgedächtnis behalten
- keine Probleme beim Erlernen von neuen motorischen Fähigkeiten
- keine messbaren Störungen der Intelligenz oder der Sprache
 2 unterschiedliche Arten von Speicherung für das Langzeitgedächtnis
bzw. das Kurzzeitgedächtnis
Problem: Übertragung von einem in das andere Gedächtnis
 Die medialen Temporallappen spielen bei der Konsolidierung der
Erinnerung eine wichtige Rolle („Filterfunktion“)
12
Hippocampus und Navigation
Londoner Taxi-Fahrer bei einer
virtuellen Fahrt durch London
(fMRI)
(Maguire et al., 1996)
13
Cognitive mapping
Conceptual model of hippocampal representation of a spatial environment
according to the cognitive mapping hypothesis
14
Hippocampal place cells
15
Hippocampal place cells
16
Hippocampus (Ammonshorn)
Hippocampus
as relay
station
Ramón y Cajal, ca. 1880
17
Episodisches Gedächtnis
Linker präfrontaler
Kortex
Rechter frontaler
Kortex
18
Der Neuronale Schaltkreis
im Hippokampus
Output zm Cortex
2
2
1
Input vom
Cortex
1: Granule cells of the
Dentate Gyrus
2: Pyramidal cells in the
CA1 and CA3 region
of the hippocampus,
respectively
Starke Vereinfachung!
Kandel
et al., 4th edition
19
The Hebb synapse
- When an axon of cell A ... Excites cell B and
repeatedly or persistently takes part in firing it,
some growth process or metabolic change takes
place in one or both cells so that A’s efficiency as
one of the cells firing B is increased (D.O. Hebb,
949).
- Modern formulation: specifies not only firing, but
synaptic change!
Die Synapse
Axon
terminal
Dendritic
spine
Der neuronale Schaltkreis im Hippocampus
22
Assoziatives Lernen (klassische Pavlovsche
Konditionierung) auf molekularer Ebene
2
Hund riecht Essen
Glocke
1
23
Assoziatives Lernen (klassische Pavlovsche
Konditionierung) auf molekularer Ebene
Glocke
1
24
Assoziatives Lernen (klassische Pavlovsche
Konditionierung) auf molekularer Ebene
Offensichtlich ändert sich
etwas an dieser Synapse!
(genauer gesagt auf der
postsynaptischen - empfangenden Seite)
25
Der neuronale Schaltkreis im Hippocampus
26
LTP kann in verschiedene Phasen eingeteilt werden
Wie bei der Speicherung von Gelerntem,
kann man auch bei LTP verschiedene
Phasen unterscheiden:
1. Kurzzeit-LTP (E- bzw. S-LTP)
 Dauer ca. 1-3 h
 Kovalente Modifizierung von Molekülen,
z. B. Aktivierung von Kinasen und
Phosphatasen
2. Langzeit-LTP (L-LTP)
 hält für mindestens 24 h an
Bliss & Lømo, 1973
 benötigt die Neu-Synthese sowohl
von RNA wie auch von Proteinen
27
Kann man dem Gehirn beim
Lernen zusehen?
Verändert sich etwas
an dieser Synapse?
28
Fenster ins Gehirn
http://www.neuroscience-gateway.org/2007/070607/full/nmeth0607-474.shtml
29
Elektrophysiologie kombiniert mit 2-PhotonenFluoreszenzmikroscopie
GFP filled neuron
Präparation: hippocampale
organotypische Schnitte
F. Engert & T. Bonhoeffer, Nature 1999 (Breakthrough of the year 2000 gemäß Science Magazine)
30
Aktivitäts-abhängiges Wachstum neuer Synapsen
(dendritic spines) im Hippocampus
Ansatz:
Electrophysiologie kombiniert mit 2-PhotonenFluoreszenzmikroscopie in hippocampalen
organotypischen Schnittkulturen
Dendritic
spine
GFP filled neuron
Courtesy of F. Engert and T.
Bonhoeffer, Nature 1999
Break-through of the year 2000
According to Science magazine
31
Die Rolle des Hippocampus beim Lernen
•
•
Der Hippocampus (10 Mio Zellen!) ist an der Speicherung
beteiligt
Nicht nur die empfangende Zelle, sondern eine einzelne Synapse
wird beim Lernen modifiziert!

Die Synapse ist somit die zentrale Einheit, die die
Kommunikation zwischen den Nervenzellen ermöglicht

Die Synapse verändert sich dabei sowohl in ihrer
Struktur wie auch in ihrer Funktion und ihrer molekularen
Zusammensetzung
Lernen und Gedächtnis könnte der erste komplexe kognitive Prozess
sein, den man auf zellulärer und molekularer Ebene verstehen wird
32
Ramon y Cajal (Nobelpreis 1906):
erste Beschreibung von dendritic
spines
33
Aktin-abhängige Dynamik von Synapsen
(dendritic spines) im Hippocampus
GFP filled neuron
GFP-Aktin in Neuronen
Courtesy of Fischer & A. Matus,
Nature Neurosci. 2000
34
Morphologie von dendritic spines
Hering & Sheng, 2001, Nature Reviews Neurosci.
Kristen Harris: 3D Rekonstruction von dendritic spines
Wie kann man sich Lernen und Gedächtnis
auf molekularer Ebene vorstellen?
„The usual suspects“:
1. CREB abhängige Genexpression im ZNS (Eric Kandel, Nobelpreis 2000)
2. Der mysteriöse synaptische tag (Frey & Morris, 1997, Nature)
 Wie
steht es mit RNA Lokalisierung an die Synapse?
„Lernende“ Würmer
Video von Rene Garcia und
Paul Sternberg, CalTech:
C. elegans mating movie
Geschichte über Versuche von James McConnell, JV. 1962. Memory transfer
through cannibalism in planarians. Journal of Neuropsychiatry 3
(Supplement no. 1): 542-548.
Assoziatives Lernen (klassische Pavlovsche
Konditionierung) auf molekularer Ebene
2
Hund riecht Essen
Glocke
1
39
Die Rolle des NMDA-Rezeptors bei der LTP
AMPA-R
• Beschränkung auf die
erregende Reizweiterleitung
• Glutamat als Neurotransmitter
• Existenz verschiedener
Glutamat-Rezeptoren
• AMPA-Rezeptor spielt eine
besondere Rolle bei der
Ausbildung von EPSP‘s im
Ruhezustand
Die Rolle des NMDA-Rezeptors bei der LTP
Ca2+ Einstrom
Graham Collingridge, 1983
Der NMDA-R als Koinzidenz-Detektor
(liganden- und spannungsgesteuert)
Was passiert nach dem Ca2+ Einstrom
durch den NMDA-Rezeptor ?
Frühe LTP
=
Konsolidierung?
Späte LTP
=
Speicherung ?
Was passiert nach dem Ca2+ Einstrom
durch den NMDA-Rezeptor ?
Frühe LTP
=
Konsolidierung?
Kinasen
Kovalente Modifikation von
z.B. CaMKII,
PKA, PKC,
MAPK, PI-3K, …
folgenden Molekülen:
• Rezeptoren
• Ionenkanäle
• Transkriptions-Faktoren
• Komponenten des
Zytoskeletts
Phosphatasen
z.B. PP1,
calcineurin
Und andere
Mechanismen
Was passiert nach dem Ca2+ Einstrom
durch den NMDA-Rezeptor ?
Frühe LTP
=
Konsolidierung?
Kinasen
Phosphatasen
?
Späte LTP
=
Speicherung ?
Molekular:
Genexpression
via CREB im
Zellkörper
• Synaptischer
Tag wird an
der potenzierten
Synapse gebildet
• Lokale Proteinsynthese an der
Synapse?
Strukturell:
• Reorganisation
des Zytoskeletts
• Motilität von
dendritischen
Spines
• Neubildung von
Synapsen?
• Neurogenese
hippocampaler
Neurone?
Verstehen wir nun, wie man lernt ?
E-LTP
L-LTP
Tiedge Model
?
Conserved components of the
RNA localization machinery
(HFSP team 2001-2004)
1. hnRNPs
2. Zipcode-binding proteins (ZBPs)
3. Staufen
4. And many others...
Bruce Schnapp (1999) Curr. Biol.
Axon
Dendrite
?
modified from Tiedge et al., 1999 46
Sichtbarmachen einzelner Moleküle in lebenden
hippocampalen Neuronen (Staufen1-GFP)
Zellkörper
d
a
gr
o
er
t
n
a
Köhrmann et al. MBC 1999
47
Characterization of two types of neuronal
RNA granules
Key findings:
Stau2
1.
Identification of about 60 RNA-binding proteins
2.
~ 90% of factors are shared between both RNPs
3.
Majority were translational regulators
4.
Two specific kinases identified for Btz
5.
2 molecular motor proteins of the kinesin family
6.
Very few, selected RISC / P-body components
Visualization of RNAs in living hippocampal neurons by
time-lapse videomicroscopy
Alexa-labeling of RNA developed by Ilan Davis,
Edinburgh, UK: Cell (2001), Mol. Cell (2003)
49
Der Weg einer markierten RNA vom
Zellkörper in die Dendriten einer Nervenzelle
Alexa-488 labelled CaMK2α 3‘-UTR
(a well-studied, dendritically localized mRNA implicated in
synaptic plasticity, epilepsy and learning & memory)
Fabian Tübing, Georgia Vendra et al. under revision
50
RNA interference pathway
Nobel prize in
Physiology &
Medicine, 2006
from: Dykxhoorn et al.,
Nature Reviews, MCB 2003
51
Down-regulation of Stau2 in mature neurons
leads to a loss in dendritic spines
Average # of
protrusions:
0.518 ±0.14
0.258 ±0.12
Neurons: 15 +3 DIV
Mismatch si-Stau2-2: 0.509 ±0.14
(data not shown)
52
RNA on the move to the synapse
Protein synthesis occurs!
P
P
P
P
Kiebler & Bassell (2006) Neuron
Gedächtnis - Morgen:
Kann man das Gedächtnis mit Hilfe
von Pillen verbessern
(Viagra fürs Gehirn)?
54
Gedächtnispillen
Eric R. Kandel
Nobelpreis für Physiologie &
Medizin, 2001
New York Times Magazine
„Das Gedächtnis manipulieren: das Rennen
hat begonnen, Pharmaka zu entwickeln, die es
uns erlauben werden, uns an das Gute zu
erinnern - und das Böse zu vergessen“
55
Gedächtnispillen
- MEM1003
-Donezepil
Eric Kandel/
Memory Pharmaceuticals
Gary Lynch/
Cortex Pharmaceuticals
Tim Tully/
Helicon Therapeutics
Pfizer
- Ritalin*
Novartis
- Ampakine
- CREB
ehem. Alzheimer
Medikament
Modulation von
Glutamatrezeptoren
Transkriptionsfaktor
ehem. Alzheimer
Medikament
für hyperaktive Kinder
Nicht zu vergessen Glückspillen wie Prozac!
56
Gedächtnispillen
Ritalin:
- Arzneistoff mit stimulierender Wirkung.
- Gehört zu den Amphetamin-änlichen Substanzen,
- Medikamentöse Behandlung der Aufmerksamkeitsdefizit/Hyperaktivitätsstörung (ADS/ADHS)
- Es wird geschätzt, dass in einigen US-amerikanischen Schulen bis
zu einem Drittel der Schüler Ritalin schlucken.
- Bei den US-amerikanischen Studenten ist Ritalin als "Brain
Booster" weit verbreitet.
57
Center for Brain Research, Vienna, Austria
Contributing people in my lab:
Martin Köhrmann (now Erlangen, Germany)
Massimo Mallardo (now Naples, Italy)
Barbara Grunewald (retired)
Bernhard Götze (now Zeiss, Germany)
Fabian Tübing (now Roche, Germany)
Paolo Macchi (now Uni Trento, Italy)
Ralf Dahm (now CNIO, Madrid, Spain)
Yunli Xie (now IMBA, Vienna, Austria)
Daniela Karra (now Düsseldorf, Germany)
Anetta Konecna (now Bratislava, Slovakia)
Manuel Zeitelhofer (now Vienna, Austria)
Luci Schoderböck, Renate Härtel, Sam Herbert,
Jacki Heraud
Ingrid Kieweg, Sabine Spath, Martin Mikl
Technicians: Sabine Thomas, Martina Schwarz,
Julia Riefler and Julia Sandholzer
Collaborators:
Giulio Superti-Furga, CeMM, Vienna, Austria
Dusan Bartsch, ZI Mannheim, Germany
Dietmar Kuhl, Berlin, Germany
Gunter Meister, MPI Munich, Germany
Stefan Hüttelmaier, ZAMED, Halle, Germany
Witek Filipowicz, FMI, Basel, Switzerland
Daniel St Johnston, Cambridge, UK
Jernej Ule, LMB MRC, Cambridge, UK
Rob Singer, AECOM, Bronx, USA
Jim Deshler, Boston U, USA
Sally Temple, Rensselaer, NY, USA
Ted Abel, UPenn, USA
Ende
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