Marzieh Sharifi

• Chemical synapses are a physically and functionally varied type of cell-cell contact specialized in conducting communication between neurons. They are the smallest "computational" unit of the brain and are often classified as electrical and chemical, and they can be distinguished based on their transmission mechanism. These categories could be further broken into many kinds, each having a specific structure-function repertoire that is hypothesized to provide neural networks with distinct computational capabilities. Heterogeneity refers to theChemical synapses are a physically and functionally varied type of cell-cell contact specialized in conducting communication between neurons. They are the smallest "computational" unit of the brain and are often classified as electrical and chemical, and they can be distinguished based on their transmission mechanism. These categories could be further broken into many kinds, each having a specific structure-function repertoire that is hypothesized to provide neural networks with distinct computational capabilities. Heterogeneity refers to the variety of structures and functions present in a particular category of synapses. Contributing factors for this heterogeneity may be the synaptic vesicles, the active zone (AZ), the synaptic cleft, the postsynaptic density, and the glial processes associated with the synaptic contacts. Each of these five structural modules has its own set of functions, and their combination determines the spectrum of functional heterogeneity at mammalian excitatory synapses. This work focused on the changes in AZ protein expression after chemical induction of plasticity with forskolin in synaptic contacts of the hippocampal mossy fibers. With the nanoscopic resolution provided by dSTORM, along with the multicolor SIM imaging capabilities, changes in expression of key presynaptic AZ components were analyzed. Using SIM imaging along with a standardized stimulation protocol in acute brain slices from male 16-week old Thy1-mEGFP (Lsi1) mice, the changes of the key AZ proteins Bassoon, Munc 13-1 and Tomosyn were investigated 30 min after stimulation with forskolin (50 μM for 30 min). Forskolin induced changes in these proteins largely in small synaptic contacts whereas no clear changes were detected in large mossy fiber boutons. However, due to the high variability it cannot be ruled out that forskolin may differentially modify AZ protein composition depending on experimental circumstances such as age and gender of mice or the time point and duration of forskolin stimulation. The dSTORM data demonstrated feasibility to perform single molecule 3D imaging of hippocampal presynaptic AZs and allowed quantitative mapping of molecular changes in AZ proteins after induction of plasticity. The findings suggest high heterogeneity in mossy fiber synaptic contacts that may have an impact on the function of neural networks. These imaging approaches may now be used to identify potential differences in functional molecular rearrangements of synaptic proteins in healthy and diseased brain (e.g. after induction of traumatic brain injury).…
• Chemische Synapsen sind eine physikalisch und funktionell vielfältige Art von Zell-Zell-Kontakten, die auf die Kommunikation zwischen Neuronen spezialisiert sind. Sie sind die kleinste " computational " Einheit des Gehirns und werden oft als elektrisch und chemisch klassifiziert, und sie können auf der Grundlage ihres Übertragungsmechanismus unterschieden werden. Diese Kategorien lassen sich weiter in viele Arten unterteilen, die jeweils ein spezifisches Struktur-Funktions-Repertoire aufweisen, von dem angenommen wird, dass es neuronale NetzeChemische Synapsen sind eine physikalisch und funktionell vielfältige Art von Zell-Zell-Kontakten, die auf die Kommunikation zwischen Neuronen spezialisiert sind. Sie sind die kleinste " computational " Einheit des Gehirns und werden oft als elektrisch und chemisch klassifiziert, und sie können auf der Grundlage ihres Übertragungsmechanismus unterschieden werden. Diese Kategorien lassen sich weiter in viele Arten unterteilen, die jeweils ein spezifisches Struktur-Funktions-Repertoire aufweisen, von dem angenommen wird, dass es neuronale Netze mit unterschiedlichen Berechnungsfähigkeiten ausstattet. Heterogenität bezieht sich auf die Vielfalt der Strukturen und Funktionen, die in einer bestimmten Kategorie von Synapsen vorhanden sind. Die wichtigsten Gründe für diese Heterogenität sind molekulare und strukturelle Unterschiede in synaptischen Vesikel, der aktiven Zone (AZ), synaptischem Spalt, postsynaptischer Dichte und der mit der Synapse verbundenen glialen Prozesse. Jedes dieser fünf strukturellen Module hat seine eigenen Funktionen, und ihre Kombination bestimmt das Spektrum der funktionellen Heterogenität an exzitatorischen Synapsen von Säugetieren. Diese Arbeit konzentrierte sich auf Änderungen der AZ Proteine nach chemischer Induktion von Plastizität an hippocampalen Moosfasersynapsen mittels superhochauflösende Fluoreszenzmikroskopie. Mit der nanoskopischen Auflösung von dSTORM und der Mehrfarben-SIM-Bildgebung könnten Proteine in der präsynaptischen AZ abgebildet werden. Mithilfe der SIM-Bildgebung wurden Veränderungen in der Expression von AZ-Proteine Bassoon, Munc 13-1 und Tomosyn nach der Induktion von Plastizität mit Forskolin an akuten Hirnschnitten von 16-Wochen alten männlichen Thy1-mEGFP (Lsi1) Mäusen analysiert. Forskolin reduzierte die Expression von Bassoon, Munc-13-1 und Tomosyn hauptsächlich in kleinen Moosfasersynapsen. Aufgrund der hohen Variabilität kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass Forskolin die Expression der AZ-Proteine abhängig von den experimentellen Bedingungen, wie z.B. dem Alter oder dem Geschlecht der Mäuse oder der Zeitpunkt und der Dauer der Forskolin-Stimulation unterschiedlich verändern könnte. Die dSTORM-Daten zeigten, dass es möglich ist, eine Einzelmolekül-3D-Bildgebung präsynaptischer aktiver Zonen in Hippocampus durchzuführen. Die Methode ermöglichte eine quantitative Analyse der molekularen Veränderungen in AZ-Proteinen nach Induktion von Plastizität. Die Ergebnisse deuten auf eine große Heterogenität der Moosfasersynapsen, die einen Einfluss auf die Funktion neuronaler Netzwerke haben könnte. Diese bildgebenden Verfahren können nun eingesetzt werden, um potenzielle Unterschiede in den funktionellen molekularen Änderungen synaptischer Proteine im gesunden und pathologischen Gehirn (z. B. nach einer traumatischen Schädelverletzung) zu untersuchen.…