Pre- and postsynaptic mechanisms controlling hippocampal and cerebellar plasticity and learning

In de kleine hersenen (het cerebellum) en de hippocampus (een gebied in de grote hersenen dat is betrokken bij geheugen) bevinden zich hersencellen die in hoge mate plastisch zijn. Dat betekent dat de neuronen gemakkelijk verbindingen vormen en ook weer doen verdwijnen. Interessant is dat dezelfde elektrische stimulatie in beide gebieden leidt tot een tegenovergesteld effect. In de hippocampus versterkt stimulatie de bindingen (synapsen), terwijl ze in het cerebellum er juist zwakker door worden. Cruciaal blijkt een enzym (calcium-dependent protein kinase II (CaMK2)) dat in twee vormen voorkomt (alfa en bèta) in beide hersengebieden. Het veranderen van de verhouding tussen alfa-CaMK2 en bèta-CaMk2 leidt ertoe dat de synapsen in de twee gebieden op exact dezelfde manier reageren op elektrische stimulatie van de neuronen. Deze kennis is belangrijk voor het begrijpen van neurologische ziekten zoals verstandelijke handicap, epilepsie en bewegingsstoornissen.

Producten

Titel: Role of CamkII in synaptic plasticity, learning and disease
Auteur: Geeske M. van Woerden
Titel: The role of CaMKII in cerebellar learning
Auteur: Dmitri Andreev
Titel: Modulation of synaptic transmission by metabotropic glutamate receptors and endocannabinoid signalling
Auteur: Raghavendra Yelahanka Nagaraja
Titel: Molecular and cellular mechanisms underlying spatial learning
Auteur: Mohammad Reza Hojjati
Titel: Role of electronic coupling in the olivocerebellar system
Auteur: Ruben van der Giesen
Titel: Estradiol improves cerebellar memory formation by activating estrogen receptor beta
Auteur: Andreescu, C. E., Milojkovic, B. A., Haasdijk, E. D., Kramer, P., De Jong, F. H., Krust, A., De Zeeuw, C. I., and De Jeu, M. T.
Magazine: Journal of Neuroscience
Titel: alpha-Isoform of calcium-calmodulin-dependent protein kinase II and postsynaptic density protein 95 differentially regulate synaptic expression of NR2A- and NR2B-containing N-methyl-d-aspartate receptors in hippocampus.
Auteur: Park, C. S., Elgersma, Y., Grant, S. G., and Morrison, J. H. (2008). alpha-Isoform of calcium-calmodulin-dependent protein kinase
Magazine: Neuroscience
Titel: Altered olivocerebellar activity patterns in the connexin36 knockout mouse.
Auteur: Marshall SP, van der Giessen RS, de Zeeuw CI, Lang EJ.
Magazine: Cerebellum
Titel: betaCaMKII controls the direction of plasticity at parallel fiber-Purkinje cell synapses
Auteur: van Woerden, G.M., Hoebeek, F.E., Gao, Z., Nagaraja, R.Y., Hoogenraad, C.C., Kushner, S.A., Hansel, C., De Zeeuw, C.I., and Elgersma, Y.
Magazine: Nature Neuroscience
Titel: Cerebellar LTD and pattern recognition by Purkinje cells
Auteur: Steuber, V., Mittmann, W., Hoebeek, F. E., Silver, R. A., De Zeeuw, C. I., Hausser, M., and De Schutter, E.
Magazine: Neuron
Titel: alphaCaMKII Is essential for cerebellar LTD and motor learning.
Auteur: Hansel, C., de Jeu, M., Belmeguenai, A., Houtman, S. H., Buitendijk, G. H., Andreev, D., De Zeeuw, C. I., and Elgersma, Y.
Magazine: Neuron
Titel: In vivo mouse inferior olive neurons exhibit heterogeneous subthreshold oscillations and spiking patterns
Auteur: Khosrovani, S., Van Der Giessen, R. S., De Zeeuw, C. I., and De Jeu, M. T.
Magazine: Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS)
Titel: Kinase activity is not required for alphaCaMKII-dependent presynaptic plasticity at CA3-CA1 synapses
Auteur: Hojjati, M. R., van Woerden, G. M., Tyler, W. J., Giese, K. P., Silva, A. J., Pozzo-Miller, L., and Elgersma, Y.
Magazine: Nature Neuroscience
Titel: The neuropeptide corticotropin-releasing factor regulates excitatory transmission and plasticity at the climbing fibre-Purkinje cell synapse.
Auteur: Schmolesky, M. T., De Ruiter, M. M., De Zeeuw, C. I., and Hansel, C.
Magazine: European Journal of Neuroscience

Verslagen


Eindverslag

Dit onderzoek richtte zich op de de pre-synaptische en post-synaptische processen die ten grondslag liggen aan de plasticiteit van de hippocampus en het cerebellum. De centrale paradox was: hoe kan het dat sterke stimulatie van de cerebelaire Purkinje cell leidt tot een vermindering van synaptische sterkte (LTD) en waarom leidt dit in de hippocampus juist tot een verhoging van de synaptische sterkte (en omgekeerd voor zwakke stimulatie). Om hierin inzicht te verkrijgen hebben we gekeken naar de rol van CaMK2, dat hoog tot expressie komt in zowel de cerebelaire Purkinje cellen als de hippocampale pyramidaalcellen. We hebben laten zien dat door het veranderen van de alpa-beta CaMK2 ratio in de Purkinje cell, de plasticiteits regels van het cerebellum gelijk werden aan die van de hippocampus. Deze experimenten geven belangrijk inzicht in de fundamentele processen die de plasticiteit van de hersenen reguleren. Deze kennis is belangrijk voor het begrijpen van neurologische ziekten zoals verstandelijke handicap, epilepsie en ataxie.

In deze aanvraag bestuderen we de rol synapsine en van post en presynaptisch CAMKII vor zowel de hippocampus en het cerebellum. De belangrijkste vindingen zijn:

1. We hebben een essentiele rol vastgesteld voor postsynaptisch alpha CaMK2 in cerebelaire plasticiteit en cerebellum afhankelijk leren. Dit is verrasend omdat dit voor het eerst laat zien dat deze kinase niet alleen bij het versterken maar dus ook bij het verzwakken van synapsen een rol speelt.

2. We hebben vastgesteld dat presynaptisch CaMK2 in de hippocampus een belangrijke rol speelt bij de regulatie van neurotransmitter afgifte. Voor deze regulatie lijkt de kinase activiteit echter geen rol te spelen, hetgeen suggereert dat CAMKII ook een structurele (niet enzymatische)rol speelt.

Snel naar

Kenmerken

Projectnummer:
91204095
Looptijd: 100%
2004
2008
Gerelateerde programma's:
Gerelateerde subsidieronde:
Projectleider en penvoerder:
Prof. dr. Y. Elgersma
Verantwoordelijke organisatie:
Erasmus MC