In einer Studie, die diese Woche im Journal of Neuroscience veröffentlicht wurde, haben Forscher der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) und der Nagoya University gezeigt, wie ein häufig verwendetes Vollnarkosemittel namens Isofluran die Übertragung elektrischer Signale zwischen Neuronen an Synapsen genannten Stellen schwächt.
„Wichtig ist, dass wir festgestellt haben, dass Isofluran die Übertragung aller elektrischen Signale nicht gleichermaßen blockiert; Das Anästhetikum hatte die stärkste Wirkung auf Hochfrequenzimpulse, die für Funktionen wie Kognition oder Bewegung erforderlich sind, während es minimale Auswirkungen auf Niederfrequenzimpulse hatte, die lebenserhaltende Funktionen wie Atmung steuern“, sagte Professor Tomoyuki Takahashi, der die CMSF-Einheit (Cellular and Molecular Synaptic Function) am OIST leitet. „Dies erklärt, wie Isofluran in der Lage ist, eine Anästhesie zu verursachen, indem es die Hochfrequenzsignale bevorzugt blockiert.“
An Synapsen werden Signale von präsynaptischen Neuronen gesendet und von postsynaptischen Neuronen empfangen. An den meisten Synapsen erfolgt die Kommunikation über chemische Botenstoffe – oder Neurotransmitter.
Wenn ein elektrischer Nervenimpuls oder Aktionspotential am Ende des präsynaptischen Neurons ankommt, bewirkt dies, dass synaptische Vesikel – winzige Membranpakete, die Neurotransmitter enthalten – mit der terminalen Membran verschmelzen und die Neurotransmitter in die Lücke zwischen Neuronen freisetzen. Wenn genügend Neurotransmitter vom postsynaptischen Neuron erfasst werden, löst dies ein neues Aktionspotential im postsynaptischen Neuron aus.
Die CMSF-Einheit verwendete Gehirnschnitte von Ratten, um eine riesige Synapse zu untersuchen, die als Kelch von Held bezeichnet wird. Die Wissenschaftler induzierten elektrische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen und detektierten dann die im postsynaptischen Neuron erzeugten Aktionspotentiale. Sie fanden heraus, dass Isofluran mit zunehmender Frequenz elektrischer Signale eine stärkere Wirkung auf die Blockierung der Übertragung hatte.
Um die Ergebnisse seiner Einheit zu bestätigen, wandte sich Takahashi an Dr. Takayuki Yamashita, einen Forscher der Universität Nagoya, der Experimente an Synapsen, sogenannten kortikokortikalen Synapsen, im Gehirn lebender Mäuse durchführte.
Yamashita fand heraus, dass das Anästhetikum kortiko-kortikale Synapsen in ähnlicher Weise wie der Kelch von Held beeinflusste. Wenn die Mäuse mit Isofluran betäubt wurden, war die Hochfrequenzübertragung stark reduziert, während die Niederfrequenzübertragung weniger beeinflusst wurde.
„Diese Experimente bestätigten beide, wie Isofluran als Vollnarkose wirkt“, sagte Takahashi. „Aber wir wollten verstehen, auf welche Mechanismen Isofluran abzielt, um Synapsen auf diese frequenzabhängige Weise zu schwächen.“
Aufspüren der Ziele
Mit weiteren Untersuchungen fanden die Forscher heraus, dass Isofluran die Menge des freigesetzten Neurotransmitters reduzierte, indem es sowohl die Wahrscheinlichkeit der Freisetzung der Vesikel senkte als auch die maximale Anzahl der Vesikel verringerte, die gleichzeitig freigesetzt werden konnten.
Die Wissenschaftler untersuchten daher, ob Isofluran die Calciumionenkanäle beeinflusst, die für die Vesikelfreisetzung von entscheidender Bedeutung sind. Wenn Aktionspotentiale am präsynaptischen Terminal ankommen, öffnen sich Calciumionenkanäle in der Membran, so dass Calciumionen einströmen können. Synaptische Vesikel erkennen dann diesen Anstieg des Kalziums und verschmelzen mit der Membran. Die Forscher fanden heraus, dass Isofluran den Calciumzufluss senkte, indem es Calciumionenkanäle blockierte, was wiederum die Wahrscheinlichkeit einer Vesikelfreisetzung verringerte.
„Dieser Mechanismus allein könnte jedoch nicht erklären, wie Isofluran die Anzahl der freisetzbaren Vesikel oder die frequenzabhängige Natur der Wirkung von Isofluran reduziert“, sagte Takahashi.
Die Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass Isofluran die Anzahl der freisetzbaren Vesikel reduzieren könnte, indem es entweder den Prozess der Vesikelfreisetzung durch Exozytose direkt blockiert oder indirekt das Vesikelrecycling blockiert, bei dem Vesikel durch Endozytose reformiert und dann mit Neurotransmittern aufgefüllt werden, die bereit sind, wieder freigesetzt zu werden.
Durch elektrische Messung der Veränderungen der Oberfläche der präsynaptischen terminalen Membran, die durch Exozytose erhöht und durch Endozytose verringert wird, folgerten die Wissenschaftler, dass Isofluran nur die Vesikelfreisetzung durch Exozytose beeinflusst, wahrscheinlich durch Blockierung der exozytären Maschinerie.
„Entscheidend war, dass dieser Block nur einen großen Einfluss auf Hochfrequenzsignale hatte, was darauf hindeutet, dass dieser Block auf der exozytischen Maschinerie der Schlüssel zur anästhesierenden Wirkung von Isofluran ist“, sagte Takahashi.
Die Wissenschaftler schlugen vor, dass hochfrequente Aktionspotentiale einen so massiven Zustrom von Kalzium in das präsynaptische Terminal auslösen, dass Isofluran die Calciumkonzentration nicht effektiv reduzieren kann. Die synaptische Stärke wird daher überwiegend durch den direkten Block der exozytischen Maschinerie geschwächt und nicht durch eine verringerte Wahrscheinlichkeit der Vesikelfreisetzung.
In der Zwischenzeit lösen niederfrequente Impulse weniger Exozytose aus, so dass die Blockierung der Exozytenmaschinerie durch Isofluran nur geringe Auswirkungen hat. Obwohl Isofluran den Eintritt von Kalzium in das präsynaptische Terminal wirksam reduziert, ist die Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer Vesikelfreisetzung an sich nicht stark genug, um postsynaptische Aktionspotentiale am Kalziumkelch zu blockieren, und hat nur eine geringe Wirkung auf kortiko-kortikale Synapsen. Die Niederfrequenzübertragung wird daher beibehalten.
Insgesamt liefert die Versuchsreihe überzeugende Beweise dafür, wie Isofluran die Synapsen schwächt, um eine Anästhesie zu induzieren.
„Jetzt, da wir Techniken zur Manipulation und Entschlüsselung präsynaptischer Mechanismen etabliert haben, sind wir bereit, diese Techniken auf schwierigere Fragen anzuwenden, wie präsynaptische Mechanismen, die Symptomen neurodegenerativer Erkrankungen zugrunde liegen“, sagte Takahashi. „Das wird unsere nächste Herausforderung.“