Langzeit-Potenzierung

Die Langzeitpotenzierung oder LTP ist eine der Möglichkeiten, wie synaptische Plastizität im Gehirn auftreten kann. Dabei handelt es sich um Veränderungen in der Übertragungsstärke der chemischen Synapsen. LTP ist der Prozess der synaptischen Verstärkung, der im Laufe der Zeit zwischen prä- und postsynaptischen neuronalen Verbindungen auftritt. Die synaptische Stärkung der LTP wirkt entgegen der synaptischen Schwächung durch die Langzeit-Depression (LTD) und beide zusammen bilden die Hauptmechanismen, die dem Lernen und dem Gedächtnis zugrunde liegen.

Die Hebbsche Regel

LTP kann auftreten, wenn präsynaptische Neuronen wiederholt feuern und das postsynaptische Neuron stimulieren. Man bezeichnet dies als Hebbsche Regel. Es folgt dem Postulat von Donald Hebb aus dem Jahr 1949, dass “Neuronen, die zusammen feuern, sich miteinander verbunden”. Die wiederholte Stimulation von präsynaptischen Neuronen induziert Veränderungen in der Art und Anzahl der Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran.

Bei der LTP sind zwei Arten von postsynaptischen Rezeptoren des exzitatorischen Neurotransmitters Glutamat beteiligt: 1) N-Methyl-D-Aspartat bzw. NMDA-Rezeptoren und 2) α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure bzw. AMPA-Rezeptoren. Obwohl sich die NMDA-Rezeptoren durch die Bindung des Glutamats öffnen, werden ihre Poren normalerweise durch Magnesium-Ionen blockiert, welche verhindern, dass andere positiv geladene Ionen in das Neuron eintreten. Jedoch kann das Glutamat, das aus präsynaptischen Neuronen freigesetzt wird, postsynaptische AMPA-Rezeptoren binden, wodurch Natrium-Ionen einfließen und die Depolarisierung der Membran verursachen. Wenn die postsynaptische Membran durch mehrere präsynaptische Erregungen depolarisiert wird, wird das Magnesium-Ion, das die NMDA-Rezeptor-Pore blockiert, verdrängt. Dadurch können Natrium -und Kalzium-Ionen in das Neuron einströmen.

Der erhöhte Zufluss der Kalzium-Ionen löst eine Signalkaskade aus, die dazu führt dass mehr AMPA-Rezeptoren in die Plasmamembran eingefügt werden. Alternativ kann die Signalkaskade auch die Glutamatrezeptoren phosphorylieren, wodurch sie länger offen bleiben und somit die Leitfähigkeit der positiv geladenen Ionen in der Zelle erhöht. Als Ergebnis wird dieselbe präsynaptische Erregung nun eine stärkere postsynaptische Reaktion hervorrufen, da mehr Glutamatrezeptoren aktiviert werden und mehr positiv geladene Ionen in das postsynaptische Neuron einfließen. Diese Verstärkung ist als synaptische Verstärkung oder Potenzierung bekannt.

Das Sprichwort “Übung macht den Meister” kann teilweise durch LTP erklärt werden. Beim Erlernen einer neuen Aufgabe werden neue neuronale Schaltkreise durch LTP verstärkt. Nach jeder Iteration der Übung wird die synaptische Stärke in den neuronalen Schaltkreisen stärker und die Aufgabe kann bald korrekt und effizient ausgeführt werden. Die neuen gestärkten Verbindungen können von Minuten bis zu Wochen oder länger dauern, je nachdem wie lange die präsynaptische Erregung andauert, was bedeutet, dass bei jeder weiteren Ausführung der Aufgabe die LTP beibehalten wird.

LTP und Krankheiten

Wenn LTP normal funktioniert, können wir mit Leichtigkeit lernen und Erinnerungen formen. Jedoch sind Abweichungen in der LTP in vielen neurologischen und kognitiven Störungen wie Alzheimer, Autismus, Suchtkrankheiten, Schizophrenie und Multiple Sklerose involviert. Ein besseres Verständnis der Mechanismen der LTP könnte eventuell zu Therapien führen.