Die Funktion unseres Zentralnervensystems beruht auf der zeitlich präzisen Übertragung elektrischer Signale zwischen Neuronen. Diese synaptische Übertragung findet in weniger als einer tausendstel Sekunde statt. Eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung erweitert die Kodierungskapazität und beschleunigt die Verarbeitung von Informationen. Obwohl viele der an synaptischer Übertragung beteiligten Prozesse und Proteine bekannt sind, ist das Verständnis der Mechanismen, die für eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung verantwortlich sind, bisher unvollständig. Um die Mechanismen hochfrequenter synaptischer Übertragung zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit prä- und postsynaptische Patch-Clamp Ableitungen an der zerebellären Moosfaser-Körnerzell-Synapse in akuten Hirnschnitten der Maus eingesetzt. Es zeigte sich, dass diese Synapse präsynaptische Aktionspotenziale mit einer Frequenz über einem Kilohertz feuern kann und dass Informationen in diesem Frequenzbereich an die postsynaptische Zelle übertragen werden können. Hierbei vermitteln besonders schnelle Natrium- und Kalium-Kanäle eine extrem kurze Dauer der Aktionspotenziale, die dennoch metabolisch relativ effizient sind. Schnelle Kalzium-Kanäle und eine schwache präsynaptische Kalzium-Pufferung ermöglichen eine synchrone Vesikelfreisetzung mit hohen Frequenzen. Zusätzlich greift die Präsynapse auf einen großen Vorrat an freisetzbaren Vesikeln zurück, dessen Auffüllung besonders schnell stattfindet. Aufgrund der hochfrequenten synaptischen Übertragung ist die Moosfaser- Körnerzell-Synapse ideal, um zu untersuchen, wie schnell die auf eine Vesikelfreisetzung folgende Endozytose vonstatten geht. Mit optimierten, hochauflösenden Kapazitätsmessungen konnte an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse eine sehr schnelle Endozytose nach einzelnen Aktionspotenzialen gezeigt werden. Die hohe Geschwindigkeit der Endozytose unterstützt somit eine hochfrequente synaptische Übertragung. Diese schnelle Endozytose wird durch die Moleküle Dynamin und Actin vermittelt und ist unabhängig von einer Wirkung von Clathrin. Stärkere Stimuli wie längere Depolarisationen evozieren eine langsamere Form der Endozytose, die zusätzlich Clathrin-abhängig ist. Durch die mechanistische Beschreibung hochfrequenter Signalübertragung an einer zentralen Synapse erweitern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit unser Verständnis von synaptischer Übertragung und Informationsverarbeitung im Zentralnervensystem.

Die Funktion unseres Zentralnervensystems beruht auf der zeitlich präzisen Übertragung elektrischer Signale zwischen Neuronen. Diese synaptische Übertragung findet in weniger als einer tausendstel Sekunde statt. Eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung erweitert die Kodierungskapazität und beschleunigt die Verarbeitung von Informationen. Obwohl viele der an synaptischer Übertragung beteiligten Prozesse und Proteine bekannt sind, ist das Verständnis der Mechanismen, die für eine schnelle und hochfrequente Signalübertragung verantwortlich sind, bisher unvollständig. Um die Mechanismen hochfrequenter synaptischer Übertragung zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit prä- und postsynaptische Patch-Clamp Ableitungen an der zerebellären Moosfaser-Körnerzell-Synapse in akuten Hirnschnitten der Maus eingesetzt. Es zeigte sich, dass diese Synapse präsynaptische Aktionspotenziale mit einer Frequenz über einem Kilohertz feuern kann und dass Informationen in diesem Frequenzbereich an die postsynaptische Zelle übertragen werden können. Hierbei vermitteln besonders schnelle Natrium- und Kalium-Kanäle eine extrem kurze Dauer der Aktionspotenziale, die dennoch metabolisch relativ effizient sind. Schnelle Kalzium-Kanäle und eine schwache präsynaptische Kalzium-Pufferung ermöglichen eine synchrone Vesikelfreisetzung mit hohen Frequenzen. Zusätzlich greift die Präsynapse auf einen großen Vorrat an freisetzbaren Vesikeln zurück, dessen Auffüllung besonders schnell stattfindet. Aufgrund der hochfrequenten synaptischen Übertragung ist die Moosfaser- Körnerzell-Synapse ideal, um zu untersuchen, wie schnell die auf eine Vesikelfreisetzung folgende Endozytose vonstatten geht. Mit optimierten, hochauflösenden Kapazitätsmessungen konnte an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse eine sehr schnelle Endozytose nach einzelnen Aktionspotenzialen gezeigt werden. Die hohe Geschwindigkeit der Endozytose unterstützt somit eine hochfrequente synaptische Übertragung. Diese schnelle Endozytose wird durch die Moleküle Dynamin und Actin vermittelt und ist unabhängig von einer Wirkung von Clathrin. Stärkere Stimuli wie längere Depolarisationen evozieren eine langsamere Form der Endozytose, die zusätzlich Clathrin-abhängig ist. Durch die mechanistische Beschreibung hochfrequenter Signalübertragung an einer zentralen Synapse erweitern die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit unser Verständnis von synaptischer Übertragung und Informationsverarbeitung im Zentralnervensystem.