Molekülcluster auf Gliazellen zeigen, dass sie mehr als der „Kleber“ unseres Gehirns sind

Neurowissenschaftler am Fred Hutchinson Cancer Center haben herausgefunden, dass ein oft übersehener Typ von Gehirnzellen namens Glia eine größere Rolle bei der Gehirnfunktion spielt als bisher angenommen.

Im Tagebuch Zellberichte, berichten die Fred Hutch-Neurowissenschaftlerin Aakanksha Singhvi, Ph.D., und ihr Team, dass eine einzelne Gliazelle verschiedene Moleküle verwendet, um mit verschiedenen Neuronen zu kommunizieren. Eine sorgfältige Anhäufung dieser Moleküle stellt sicher, dass die Gliazelle mit jedem Neuron eine eindeutige „Konversation“ führen kann. Durch diese molekularen Vermittler können Gliazellen beeinflussen, wie Neuronen auf Umweltreize wie Temperatur und Geruch reagieren.

„Es ist der erste sehr klare Hinweis darauf, dass eine Gliazelle bestimmte Moleküle an bestimmte Kontaktstellen senden wird, um diese Neuronen auf Einzelzellebene zu regulieren, was Konsequenzen für das Verhalten des Tieres hat“, sagte Singhvi, der Assistent ist Professor in der Abteilung für Grundlagenwissenschaften bei Fred Hutch.

Gliazellen machen etwa die Hälfte der Zellen im Gehirn aus, aber die andere Hälfte der Zellen – Neuronen – erregt aufgrund ihrer zentralen Rolle in unseren Gedanken, Empfindungen und Verhaltensweisen normalerweise die meiste Aufmerksamkeit. Glia glänzte weniger als Neuronen, die im wahrsten Sinne des Wortes mit Elektrizität pulsieren, und schien eine rein unterstützende Rolle zu spielen. Neurowissenschaftler taten sie als bloßen „Kleber“ ab, der den Neuronen hilft, zusammenzuhalten, oder als „Ammenmädchen“, die den Neuronen Nahrung, aber keine Führung bieten.

Singhvi gehört zu den Neurowissenschaftlern, die sich für eine Neubewertung der Bedeutung von Glia einsetzen.

„In den letzten Jahren wurde zunehmend erkannt, dass Gliazellen zu vielen Erkrankungen des Gehirns beitragen können, von Epilepsie bis Alzheimer“, sagte Singhvi. „Um ein ganzheitlicheres und klinisch relevanteres Bild der Gehirnfunktion zu erhalten, müssen wir zu den Grundlagen zurückkehren und besser verstehen, wie Gliazellen und Neuronen zusammenarbeiten.“

Um die grundlegende Biologie von Gliazellen zu erforschen, half Singhvi bei der Entwicklung des Einsatzes von Caenorhabditis elegans, bei denen es sich um winzige, durchsichtige Würmer (auch Nematoden genannt) handelt. Jeder Wurm hat genau die gleiche Anzahl an Zellen, darunter 302 Neuronen pro Tier und nur 56 Gliazellen. Obwohl wir mit Würmern wenig gemeinsam zu haben scheinen, funktionieren ihre Neuronen und Gliazellen ähnlich wie unsere.

Singhvi und Sneha Ray – Erstautorin der Studie und Doktorandin in Singhvis Labor – konzentrierten sich auf eine dieser Gliazellen namens Amphid Sheath (AMsh), um zu sehen, wie sie mit einem sensorischen Neuron namens AFD interagierte, das die Temperatur von C. elegans misst .

Mithilfe leistungsstarker Mikroskope, um einzelne Neuronen und Gliazellen zu untersuchen, suchten die Forscher nach einem Protein namens KCC-3, von dem Singhvi zuvor entdeckt hatte, dass es bei der Signalübertragung über Zellmembranen hilft. Die Forscher erkannten schnell, dass KCC-3 entlang der Membran der Gliazelle nicht gleichmäßig verteilt war. Stattdessen sammelte sich das Protein an einer Stelle entlang der Schnittstelle zwischen der Gliazelle (AMsh) und dem sensorischen Neuron (AFD).

„Wir haben festgestellt, dass es sich neben dem temperaturempfindlichen Neuron befindet – aber keinem der anderen –, bei dem es sich im Wesentlichen um die Gliazelle mit einer Größe von einem halben Mikrometer handelt [millionth of a meter] Unterschied zwischen den beiden Neuronen“, sagte Singhvi.

Das Team entdeckte mindestens drei Arten von Molekülclustern, die die AMsh-Glia mit verschiedenen sensorischen Neuronen verbinden.

Ray und Singhvi fanden außerdem heraus, dass, obwohl jedes von AMsh umhüllte Neuron einen anderen Umgebungsreiz wahrnimmt, die Gliazelle dazu beitragen kann, Informationen über Schaltkreise hinweg zu integrieren und es Neuronen innerhalb eines sensorischen Schaltkreises (z. B. Temperatur) zu ermöglichen, die Funktion von Neuronen innerhalb eines anderen Schaltkreises zu beeinflussen ( wie diejenigen, die bestimmte Gerüche riechen). Auf diese Weise kann eine einzelne Gliazelle dem Wurm dabei helfen, auf das Gesamtbild der Umwelt zu reagieren, anstatt nur den Neuronen dabei zu helfen, einzelne externe Signale weiterzuleiten.

„Wenn man darüber nachdenkt, was es braucht, um ein Fadenwurm zu sein, ist das sehr kompliziert“, sagte Singhvi.

Was macht ein Wurm, wenn er auf einen verlockenden Geruch stößt, der Nahrung signalisiert – genau dann, wenn es in seiner Umgebung gefährlich warm wird? Es muss diese unterschiedlichen Eingaben abwägen und eine Entscheidung treffen.

„Der Wurm brennt nicht – er ist zu schlau, um zu brennen“, sagte Singhvi.

Und die Kompartimentierung, die sie und Ray aufgedeckt haben, ist wahrscheinlich entscheidend für die Fähigkeit eines Fadenwurms – oder eines Menschen –, wichtige Faktoren wie Hitze und Geruch abzuwägen, sagte sie. Dies ermöglicht dem Tier, dass mehrere Schaltkreise gleichzeitig ordnungsgemäß funktionieren, ohne dass es zu verwirrenden Querverbindungen kommt.

Hinsichtlich möglicher Anwendungen für die Gesundheit des menschlichen Gehirns wies Singhvi darauf hin, dass das gleiche KCC-3-Protein, das sie an Nematoden untersucht, auch für die Gehirnfunktion beim Menschen essentiell ist. Störungen von KCC-3 stehen im Zusammenhang mit einer schweren Gehirnentwicklungsstörung, die als Agenesie des Corpus callosum oder Anderman-Syndrom bezeichnet wird, sowie mit der Anfälligkeit für Anfälle und Neurodegeneration. Unterschiede in den Schaltkreisen des Gehirns stehen im Zusammenhang mit Erkrankungen wie Autismus, Epilepsie und Schizophrenie.

„Unser Gehirn verarbeitet routinemäßig mehrere Eingaben oder sensorische Hinweise parallel“, sagte Singhvi. „Unsere Forschung zeigt, dass Glia als Vermittler zwischen Gehirnschaltkreisen fungieren kann, und wird uns dabei helfen, die verschiedenen Arten zu verstehen, wie die Schaltkreise gestört werden können.“