Die Neurowissenschaften befinden sich in einem großen Umbruch. Die beiden großen Zellfamilien, aus denen das Gehirn besteht, die Neuronen und die Gliazellen, verbargen insgeheim eine Hybridzelle, die auf halbem Weg zwischen diesen beiden Kategorien liegt. Es ist bekannt, dass das Gehirn hauptsächlich dank der Neuronen und ihrer Fähigkeit, Informationen schnell zu verarbeiten und durch ihre Netzwerke weiterzuleiten, funktioniert. Um sie bei dieser Aufgabe zu unterstützen, übernehmen die Gliazellen eine Reihe von strukturellen, energetischen und immunologischen Funktionen sowie die Stabilisierung physiologischer Konstanten. Einige dieser Gliazellen, die Astrozyten genannt werden, umgeben sehr eng die Synapsen, die Kontaktstellen, an denen Neurotransmitter, die Träger der Informationsübertragung zwischen Neuronen, freigesetzt werden. Aus diesem Grund vermuten Neurowissenschaftler schon lange, dass Astrozyten eine aktive Rolle bei der synaptischen Übertragung spielen und an der Informationsintegration beteiligt sein könnten. Die bisherigen Studien, die dies belegen sollten, litten jedoch unter widersprüchlichen Ergebnissen und haben noch nicht zu einem endgültigen wissenschaftlichen Konsens geführt. Durch die Identifizierung eines neuen Zelltyps, der die Merkmale eines Astrozyten aufweist und die für die synaptische Übertragung erforderliche molekulare Maschinerie exprimiert, setzen Neurowissenschaftler der Abteilung für grundlegende Neurowissenschaften der Fakultät für Biologie und Medizin der Universität Lausanne (UNIL) und des Wyss Center for Bio and Neuroengineering in Genf jahrelangen Kontroversen ein Ende.
Der Schlüssel zum Puzzle
Um die Hypothese, dass Astrozyten wie Neuronen in der Lage sind, Neurotransmitter freizusetzen, zu bestätigen oder zu widerlegen, untersuchten die Forscher zunächst den molekularen Inhalt der Astrozyten mithilfe moderner molekularbiologischer Ansätze. Ihr Ziel war es, Spuren der Maschinerie zu finden, die für die schnelle Sekretion von Glutamat, dem wichtigsten Neurotransmitter, der von Neuronen verwendet wird, notwendig ist. Wir konnten dank der präzisen Transkriptomiktechniken an Einzelzellen Transkripte der VGLUT-Proteine, die für die Füllung der Glutamat freisetzenden neuronalen Vesikel verantwortlich sind, innerhalb von Zellen mit Astrozytenprofil nachweisen. Diese Beobachtung gilt sowohl für Mäuse als auch für Menschen. Darüber hinaus haben wir in denselben Zellen weitere Proteine gefunden, die für die Funktion der glutamatergen Vesikel entscheidend sind", erklärt Ludovic Telley, Assistenzprofessor an der Universität Lausanne und Ko-Direktor der Studie.Neue funktionsfähige Zellen
Anschließend versuchten die Neurowissenschaftler herauszufinden, ob diese Hybridzellen funktionell sind, d. h. ob sie Glutamat tatsächlich mit einer Geschwindigkeit freisetzen können, die mit der der synaptischen Übertragung vergleichbar ist. Zu diesem Zweck verwendete das Forschungsteam eine fortschrittliche Bildgebungstechnik, die das von den Vesikeln freigesetzte Glutamat in Hirngewebe und in lebenden Mäusen sichtbar machen konnte. Wir haben eine Untergruppe von Astrozyten identifiziert, die auf selektive Stimulation mit einer schnellen Glutamatfreisetzung reagiert, die in räumlich begrenzten, synapsenähnlichen Bereichen dieser Zellen stattfindet", sagt Andrea Volterra, Honorarprofessor an der Universität Lausanne, Gastdozent am Wyss Center und Co-Leiter der Studie.Darüber hinaus übt diese Glutamatfreisetzung einen Einfluss auf die synaptische Übertragung aus und steuert die neuronalen Schaltkreise. Dies konnte das Forschungsteam nachweisen, indem es die Expression von VGLUT durch diese Hybridzellen unterdrückte. Sie sind Modulationszellen der neuronalen Aktivität und kontrollieren das Kommunikations- und Erregungsniveau der Neuronen", sagt Roberta de Ceglia, Forscherin an der Universität Lausanne und Erstautorin der Studie. Und ohne diese funktionelle Maschinerie ist laut der Studie die Langzeitpotenzierung, ein neuronaler Prozess, der an den Gedächtnismechanismen beteiligt ist, beeinträchtigt, was sich auf das Gedächtnis der Mäuse auswirkt.
Verbindungen zu Hirnkrankheiten
Die Auswirkungen dieser Entdeckung erstrecken sich auch auf Hirnerkrankungen. Durch die spezifische Störung der glutamatergen Astrozyten konnte das Forschungsteam Auswirkungen auf die Gedächtniskonsolidierung nachweisen, aber auch auf Krankheitsbilder wie Epilepsie, deren Anfälle verschlimmert wurden. Schließlich zeigt die Studie, dass glutamaterge Astrozyten auch eine Rolle bei der Regulierung von Hirnschaltkreisen spielen, die an der Bewegungskontrolle beteiligt sind, und könnten therapeutische Ziele für die Parkinson-Krankheit bieten.’ Zwischen Neuronen und Astrozyten haben wir nun eine neue Art von Zellen in der Hand. Sie eröffnen enorme Forschungsperspektiven. Unsere nächsten Studien werden ihre potenzielle Schutzfunktion gegen Gedächtnisverluste bei der Alzheimer-Krankheit sowie ihre Rolle in anderen Regionen und bei anderen Krankheiten als den hier untersuchten untersuchen", plant Andrea Volterra.
