Synaptische Plastizität und LTP

Synaptische Plastizität bezeichnet die Fähigkeit von Synapsen, ihre Übertragungsstärke aktivitätsabhängig zu verändern. Sie ist die zelluläre Grundlage von Lernen und Gedächtnis. Eine besonders gut untersuchte Form ist die Langzeitpotenzierung (Long-Term Potentiation, LTP), 1973 von Bliss und Lωmo am Hippocampus entdeckt.

Donald Hebb formulierte bereits 1949 das Prinzip: „Cells that fire together wire together“. Werden prä- und postsynaptisches Neuron gleichzeitig stark erregt, verstärkt sich die Verbindung dauerhaft. Dies ist die qualitative Grundlage für LTP.

An glutamatergen Synapsen der CA1-Region des Hippocampus läuft LTP wie folgt ab:

1. Schwache präsynaptische Aktivität setzt Glutamat frei. Es bindet an AMPA-Rezeptoren und lässt Na⁺ einströmen → ein normales EPSP entsteht.
2. Bei zusätzlicher starker Reizung (Tetanus) addieren sich EPSPs zu einer kräftigen Depolarisation der postsynaptischen Membran.
3. Die Depolarisation hebt einen Mg²⁺-Block im NMDA-Rezeptor auf. Glutamat kann nun zusätzlich diesen Rezeptor öffnen, sodass Ca²⁺ in die Zelle strömt.
4. Ca²⁺ aktiviert die Proteinkinasen CaMKII und PKC.
5. Diese phosphorylieren AMPA-Rezeptoren und erhöhen ihre Leitfähigkeit. Außerdem werden zusätzliche AMPA-Rezeptoren in die Membran eingebaut.
6. Das Ergebnis: Die Synapse antwortet bei zukünftigen Reizen stärker – die Übertragung ist potenziert.

Längerfristig bewirkt LTP Veränderungen auf Proteinebene und sogar morphologisch:

• Genexpression neuer Synapsenproteine (z. B. CREB-vermittelt).
• Wachstum von dendritischen Spines.
• Bildung neuer Synapsenkontakte.
• Präsynaptisch: Erhöhung der Transmitterfreisetzung durch retrograde Botenstoffe (z. B. NO).

Das Gegenstück zur LTP ist die Langzeitdepression: Schwache, längerdauernde Reizung führt zu einem geringen Ca²⁺-Einstrom, der Phosphatasen aktiviert und AMPA-Rezeptoren aus der Membran entfernt – die Synapse wird schwächer. LTP und LTD zusammen ermöglichen ein dynamisches Justieren der Verbindungsstärken.

Der Hippocampus ist Schlüsselregion für das deklarative Gedächtnis. Schäden hier (z. B. beim Patienten H. M.) führen zum Verlust der Fähigkeit, neue Erinnerungen zu bilden. Bei Morbus Alzheimer sind LTP und Synapsen­dichte frühzeitig gestört – ein zelluläres Korrelat der Gedächtnisstörung.

Der NMDA-Rezeptor ist ein „Koinzidenz­detektor“: Er öffnet nur, wenn prä- und postsynaptisch gleichzeitig Aktivität herrscht. AMPA- und NMDA-Rezeptoren sitzen beide an derselben Synapse, haben aber unterschiedliche Aufgaben.

Zusammenfassung: LTP ist die dauerhafte Verstärkung einer Synapse durch wiederholte starke Reizung. Schlüsselrolle: Glutamat → AMPA-Depolarisation → NMDA-Öffnung → Ca²⁺-Einstrom → Kinase­aktivierung → mehr/aktivere AMPA-Rezeptoren.

Abitur-Tipp: Im Hessen-Abi werden gerne die Rollen von AMPA und NMDA verglichen. Stichworte: Mg²⁺-Block, Koinzidenz, Ca²⁺ als Trigger.