Das Gedächtnis basiert auf Astrozyten, den weniger bekannten Zellen des Gehirns

Das Gedächtnis basiert auf Astrozyten, den weniger bekannten Zellen des Gehirns

Salk-Wissenschaftler zeigen, dass die unterstützenden Zellen für die kognitive Funktion von entscheidender Bedeutung sind.

LA JOLLA – Wenn Sie etwas erwarten – etwa das Essen, das Sie in einem Restaurant bestellt haben – oder wenn etwas Ihr Interesse weckt, durchströmen einzigartige elektrische Rhythmen Ihr Gehirn.

Diese Wellen werden Gamma-Oszillationen genannt und spiegeln eine Symphonie von Zellen – sowohl erregenden als auch hemmenden – wider, die auf orchestrierte Weise zusammenspielen. Obwohl ihre Rolle umstritten ist, wurden Gammawellen mit einer höheren Gehirnfunktion in Verbindung gebracht und Störungen in diesen Mustern wurden mit Schizophrenie in Verbindung gebracht. Alzheimer-Krankheit, Autismus, Epilepsie und andere Erkrankungen.

Nun zeigen neue Forschungsergebnisse des Salk Institute, dass wenig bekannte unterstützende Zellen im Gehirn, sogenannte Astrozyten, tatsächlich eine wichtige Rolle bei der Kontrolle dieser Wellen spielen könnten.

In einer am 28. Juli in der veröffentlichten Studie Proceedings of the National Academy of SciencesSalk-Forscher berichten über eine neue, unerwartete Strategie zur Abschwächung von Gamma-Oszillationen, indem sie nicht Neuronen, sondern Astrozyten deaktivieren – Zelltypen, von denen traditionell angenommen wird, dass sie eher eine unterstützende Rolle im Gehirn spielen. Dabei zeigte das Team, dass Astrozyten und die Gammaschwingungen, die sie mitgestalten, für einige Formen des Gedächtnisses von entscheidender Bedeutung sind.

„Das könnte man als schlagenden Beweis bezeichnen“, sagt Co-Autor Terrence Sejnowski, Leiter der Labor für Computational Neurobiology am Salk Institute for Biological Sciences und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. „Es gibt Hunderte von Arbeiten, die Gammaschwingungen mit Aufmerksamkeit und Gedächtnis in Verbindung bringen, aber sie sind alle korreliert. Dies ist das erste Mal, dass wir ein Kausalexperiment durchführen konnten, bei dem wir Gammaschwingungen selektiv blockieren und zeigen, dass sie einen hochspezifischen Einfluss darauf haben, wie das Gehirn mit der Welt interagiert.“

Terrence Sejnowski, Professor und Laborleiter des Computational Neurobiology Laboratory

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Eine Zusammenarbeit zwischen den Laboren der Salk-Professoren Sejnowski, Inder Verma mit einem Stefan Heinmann fanden heraus, dass die Aktivität in Form von Kalziumsignalen in Astrozyten den Gamma-Oszillationen im Gehirn von Mäusen unmittelbar vorausging. Dies deutet darauf hin, dass Astrozyten, die viele der gleichen chemischen Signale wie Neuronen verwenden, diese Schwingungen beeinflussen könnten.

Um ihre Theorie zu testen, verwendete die Gruppe ein Virus, das Tetanustoxin trägt, um die Freisetzung von Chemikalien zu verhindern, die selektiv von Astrozyten freigesetzt werden, wodurch die Fähigkeit der Zellen, mit benachbarten Zellen zu kommunizieren, effektiv ausgeschaltet wird. Neuronen blieben von dem Toxin unberührt.

Nach Zugabe einer Chemikalie zur Auslösung von Gammawellen im Gehirn der Tiere stellten die Forscher fest, dass Gehirngewebe mit behinderten Astrozyten kürzere Gammawellen erzeugte als Gewebe mit gesunden Zellen. Und nachdem sie drei Gene hinzugefügt hatten, die es den Forschern ermöglichen würden, das Tetanustoxin in Astrozyten nach Belieben selektiv ein- und auszuschalten, stellten sie fest, dass Gammawellen bei Mäusen gedämpft wurden, deren Astrozyten an der Signalübertragung gehindert waren. Das Abschalten des Toxins kehrte diesen Effekt um.

Die Mäuse mit den veränderten Astrozyten schienen völlig gesund zu sein. Doch nach mehreren kognitiven Tests stellten die Forscher fest, dass sie in einem wichtigen Bereich versagten: der Erkennung neuartiger Objekte. Eine gesunde Maus verbrachte erwartungsgemäß mehr Zeit mit einem neuen Gegenstand in ihrer Umgebung als mit vertrauten Gegenständen.

Im Hippocampus, dem Teil des Gehirns, der das Gedächtnis steuert, werden normale Astrozyten (rot, a1) und Neuronen (blau, a3) abgebildet. Bei Zugabe des Tetanustoxins (a2) sind nur die Astrozyten betroffen (grün). Tafel a4 zeigt die anderen Tafelbilder überlagert. Diese Exklusivität des Toxins ermöglichte es Wissenschaftlern, in Verhaltenstests zu zeigen, dass eine gedämpfte Aktivität in Astrozyten die Bildung neuer Erinnerungen beeinträchtigte.

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Im Gegensatz dazu behandelte die neue mutierte Maus der Gruppe alle Objekte gleich. „Das erwies sich als spektakuläres Ergebnis in dem Sinne, dass das Gedächtnis für die Erkennung neuartiger Objekte nicht nur beeinträchtigt wurde, sondern ganz verschwunden war – als würden wir diese eine Form der Erinnerung löschen und andere intakt lassen“, sagt Sejnowski.

Die Ergebnisse waren überraschend, zum Teil weil Astrozyten auf einer Zeitskala von Sekunden oder länger agieren, wohingegen Neuronen viel schneller, auf der Millisekundenskala, signalisieren. Aufgrund dieser langsameren Geschwindigkeit vermutete niemand, dass Astrozyten an der Hochgeschwindigkeitsaktivität des Gehirns beteiligt waren, die für schnelle Entscheidungen erforderlich ist.

„Was ich ziemlich einzigartig fand, war die Idee, dass Astrozyten, die traditionell nur als Wächter und Unterstützer von Neuronen und anderen Zellen angesehen werden, auch an der Verarbeitung von Informationen und anderen kognitiven Verhaltensweisen beteiligt sind“, sagt Verma, Professorin an der Universität Labor für Genetik mit einem American Cancer Society Professor.

Es ist nicht so, dass Astrozyten schnell sind – sie sind immer noch langsamer als Neuronen. Die neuen Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass Astrozyten aktiv die richtige Umgebung für das Auftreten von Gammawellen bereitstellen, was wiederum die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das Gehirn lernt und die Stärke seiner neuronalen Verbindungen verändert.

Sejnowski sagt, dass das Verhaltensergebnis nur die Spitze des Eisbergs sei. „Das Erkennungssystem ist enorm wichtig“, sagt er und fügt hinzu, dass es auch die Erkennung anderer Personen, Orte, Fakten und Dinge umfasst, die in der Vergangenheit passiert sind. Mit dieser neuen Entdeckung könnten Wissenschaftler beginnen, die Rolle von Gammawellen im Erkennungsgedächtnis besser zu verstehen, fügt er hinzu.

Zu den Mitarbeitern gehörten Hosuk Sean Lee vom Department of Life Sciences der Sogang University in Seoul, Südkorea; Andrea Ghetti, Gustavo Dziewczapolski und Juan C. Piña-Crespo vom Labor für Molekulare Neurobiologie in Salk; António Pinto-Duarte vom Institut für Pharmakologie und Neurowissenschaften der Medizinischen Fakultät und der Abteilung für Neurowissenschaften des Instituts für Molekulare Medizin an der Universität Lissabon in Portugal; Xin Wang vom Computational Neurobiology Laboratory in Salk; Francesco Galimi von Salk und der Abteilung für Biomedizinische Wissenschaften/Istituto Nazionale di Biostrutture e Biosistemi, Medizinische Fakultät der Universität Sassari in Sassari, Italien; und Salvador Huitron-Resendiz und Amanda J. Roberts vom Mouse Behavioral Assessment Core am Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien.

Die Arbeit wurde durch einen Salk Innovation Grant, Kavli Innovative Research Awards, ein Stipendium der Calouste Gulbenkian Foundation, ein Pfizer-Stipendium der Life Sciences Research Foundation, die Brain and Behavior Research Foundation, die Bundy Foundation, die Jose Carreras International Leukemia Foundation und die Pew Charitable Trusts unterstützt , National Science Foundation, Howard Hughes Medical Institute, das Office of Naval Research und die National Institutes of Health.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.