Die Astrozyten des Gehirns spielen eine zentrale Rolle im Langzeitgedächtnis

Die Astrozyten des Gehirns spielen eine zentrale Rolle im Langzeitgedächtnis

Salk-Wissenschaftler entdecken, dass Astrozyten, die lange Zeit als Nebenakteure im Gehirn galten, erforderlich sind, um bei Mäusen langanhaltende Erinnerungen aufzubauen

LA JOLLA – Sternförmige Zellen, sogenannte Astrozyten, helfen dem Gehirn, langanhaltende Erinnerungen aufzubauen, haben Salk-Forscher herausgefunden. Die neue Arbeit ergänzt die wachsende Zahl an Beweisen dafür, dass Astrozyten, die lange Zeit nur als unterstützende Zellen im Gehirn galten, möglicherweise eine eher führende Rolle spielen. Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift GLIA am 26. Juli 2019 könnte Therapien für Erkrankungen mit beeinträchtigtem Langzeitgedächtnis, wie traumatische Hirnverletzungen oder Demenz, liefern.

„Dies ist ein Hinweis darauf, dass diese Zellen viel mehr tun, als nur Neuronen dabei zu helfen, ihre Aktivität aufrechtzuerhalten“, sagt Professor Terrence Sejnowski, Chef von Salk's Labor für Computational Neurobiology und leitender Autor des neuen Werks. „Es deutet darauf hin, dass sie tatsächlich eine wichtige Rolle dabei spielen, wie Informationen im Gehirn übertragen und gespeichert werden.“

Die Neuronen des Gehirns sind auf schnelle elektrische Signale angewiesen, um im gesamten Gehirn zu kommunizieren und Neurotransmitter freizusetzen. Astrozyten erzeugen jedoch stattdessen Kalziumsignale und setzen Substanzen frei, die als Gliotransmitter bekannt sind, von denen einige chemisch den Neurotransmittern ähneln. Die klassische Ansicht war, dass die Funktion der Astrozyten hauptsächlich darin besteht, die aktiveren Neuronen zu unterstützen, Nährstoffe zu transportieren, molekulare Trümmer zu beseitigen und Neuronen an Ort und Stelle zu halten. Erst vor kurzem haben Forscher herausgefunden, dass sie durch die Freisetzung von Gliotransmittern möglicherweise andere, aktivere Rollen im Gehirn spielen, diese bleiben jedoch weitgehend rätselhaft.

Im Jahr 2014 gründeten Sejnowski, der Salk-Postdoktorand António Pinto-Duarte und ihre Kollegen zeigten, dass die Unterdrückung der Freisetzung von Gliotransmittern in Astrozyten eine Art elektrischen Rhythmus ausschaltete bekannt als Gamma-Oszillation, wichtig für kognitive Fähigkeiten. Als die Forscher in dieser Studie die Lern- und Gedächtnisfähigkeiten von Mäusen mit behinderten Astrozyten testeten, stellten sie Defizite fest, die sich auf ihre Fähigkeit zur Unterscheidung von Neuheiten beschränkten.

In der neuen Studie untersuchte Sejnowskis Team erstmals das Langzeitgedächtnis von Mäusen mit gestörten Astrozyten. Sie verwendeten gentechnisch veränderte Tiere, denen ein Rezeptor namens Typ-2-Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP) fehlte₃R2), auf das Astrozyten angewiesen sind, um Kalzium für die Kommunikation freizusetzen.

Die Forscher testeten die Mäuse mit drei verschiedenen Arten von Lern- und Gedächtnisproblemen, darunter der Interaktion mit einem neuartigen Objekt und der Suche nach dem Ausgang in einem Labyrinth. In jedem Fall fehlten Mäusen IP₃R2 zeigte die gleiche Lernfähigkeit wie normale Mäuse. Darüber hinaus konnten die Mäuse mit gestörten Astrozyten bei Tests in den 24 bis 48 Stunden nach jedem anfänglichen Lernprozess die Informationen immer noch behalten – beispielsweise ihren Weg durch das Labyrinth finden. Die Ergebnisse stimmten mit dem überein, was in früheren Studien beobachtet worden war.

Als die Gruppe jedoch weitere 2 bis 4 Wochen wartete und die trainierten Mäuse erneut testete, stellten sie große Unterschiede fest; Die Mäuse, denen der Rezeptor fehlte, schnitten viel schlechter ab und machten beim Vervollständigen des Labyrinths mehr als doppelt so viele Fehler.

„Nach ein paar Wochen Verzögerung zeigten normale Mäuse tatsächlich eine bessere Leistung als direkt nach dem Training, weil ihr Gehirn einen Prozess der Gedächtniskonsolidierung durchlaufen hatte“, erklärt Pinto-Duarte, der Hauptautor der neuen Arbeit. „Den Mäusen fehlt die IP₃Der R2-Rezeptor schnitt viel schlechter ab.“

Das Ergebnis ist das erste Mal, dass Defekte in Astrozyten mit Defekten in der Gedächtniskonsolidierung oder im Ferngedächtnis in Verbindung gebracht werden.

Der Prozess der Gedächtniskonsolidierung im Gehirn umfasst bekanntermaßen mehrere Mechanismen, die sich auf Neuronen auswirken. Es wird angenommen, dass einer dieser Mechanismen auf einer langfristigen optimalen Anpassung der Kommunikationsstärke zwischen Neuronen beruht Potenzierung, wodurch diese Stärke zunimmt, und zwar langfristig Depression, wodurch einige dieser Verbindungen schwächer werden. Sejnowski und Pinto-Duarte zeigten, dass zwar Mäuse ohne IP₃R2 und die reduzierte Astrozytenaktivität hatten bei Ersterem keine Probleme, bei Letzterem zeigten sie erhebliche Defizite, was darauf hindeutet, dass Astrozyten speziell bei der langfristigen Unterdrückung der Verbindungen zwischen Neuronen eine Rolle spielen könnten.

„Der Mechanismus der langfristigen Depression von Neuronen ist noch nicht so gut untersucht oder verstanden“, sagt Sejnowski. „Und das zeigt uns, dass wir untersuchen sollten, wie Astrozyten mit der Schwächung dieser neuronalen Verbindungen zusammenhängen.“

Die Forscher planen bereits zukünftige Studien, um die Wege besser zu verstehen, über die Astrozyten die langfristige Depression der neuronalen Kommunikation und des Gedächtnisses im Allgemeinen beeinflussen.

„Der langfristige Nutzen besteht darin, dass wir, wenn wir diese Wege besser verstehen, möglicherweise Möglichkeiten entwickeln können, die Gedächtniskonsolidierung mit Medikamenten zu manipulieren“, sagt Sejnowski.

Weitere Forscher an der Studie waren Amanda Roberts vom Scripps Research Institute und Kunfu Ouyang von der Peking-Universität.

Die Arbeit wurde von der Fundação Calouste Gulbenkian, dem Howard Hughes Medical Institute, dem Kavli Institute for Brain and Mind und der Shenzhen Basic Research Foundation unterstützt.

DOI: 10.1002/glia.23679