Gehirn: Neurone hören auf Gliazellen

15. Dezember 2014
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Gliazellen im Gehirn empfangen nicht nur Informationen, sondern kommunizieren auch selbst aktiv mit Neuronen. Dieser spezielle Signalweg wird vom Protein NG2 gesteuert und ist wichtig für Lernvorgänge und die Empfindungsverarbeitung.

Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben eine neue Verbindung im Gehirn entdeckt, die für Lernprozesse und die Verarbeitung von Empfindungen eine wichtige Rolle spielt. Bekannt war, dass bestimmte Gliazellen Informationen von Neuronen empfangen. Dagegen wusste man bisher nicht, dass diese Gliazellen ebenfalls Informationen an die Nervenzellen aussenden. Sie setzen dazu ein Proteinfragment frei, das wahrscheinlich an die synaptischen Kontaktpunkte andockt, über die Neurone untereinander Informationen austauschen.

Wird diese Informationsweiterleitung unterbrochen, zeigt das neuronale Netzwerk Veränderungen zum Beispiel bei zellulären Lernprozessen. Das Team um Dr. Dominik Sakry, Dr. Angela Neitz sowie Univ.-Prof. Dr. Jacqueline Trotter und Univ.-Prof. Dr. Thomas Mittmann hat den grundlegenden Mechanismus aufgedeckt und von der molekularen über die zelluläre Ebene zur Netzwerks- und schließlich bis zur Verhaltensebene untersucht. Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Fortschritt in unserem Verständnis der komplizierten Signalübertragungswege im Gehirn dar.

Aufgabenspektrum der Gliazellen noch großteils unbekannt

Im Gehirn von Säugetieren befinden sich wesentlich mehr Gliazellen als Nervenzellen, aber was genau alles zu ihren Aufgaben gehört, ist zum Großteil noch unbekannt. Von einer bestimmten Art von Gliazellen, den Oligodendrozyten-Vorläuferzellen, weiß man, dass sie sich zu Oligodendrozyten entwickeln, die dann die Nervenzellfortsätze, die Axone, mit einer schützenden Myelinhülle umgeben und so zur schnellen Weiterleitung von Informationsimpulsen beitragen. Interessanterweise sind diese Vorläuferzellen auch im erwachsenen Alter in allen Gehirnregionen als eine stabile Population vorzufinden und machen immerhin fünf bis acht Prozent aller Gehirnzellen aus. Diese Vorläuferzellen, kurz OPC (Oligodendrocyte Precursor Cells) genannt, haben sich die Mainzer Wissenschaftler genauer angeschaut.

Vorläuferzellen kommunizieren auch aktiv

Bekannt war seit dem Jahr 2000, dass die OPC über neu entdeckte Synapsen Signale vom neuronalen Netzwerk erhalten. „Wie wir jetzt entdeckt haben, empfangen die Vorläuferzellen nicht nur Informationen über die Synapsen, sondern sie senden ihrerseits auch Signale an benachbarte Nervenzellen aus. Sie sind damit ein essenzielles Mitglied des gesamten Netzwerkes“, erklärt Jacqueline Trotter von der Abteilung Molekulare Zellbiologie. Die diversen Funktionen des Gehirns wurden früher im Wesentlichen durch die Neurone erklärt. In den letzten Jahren zeigt sich aber zunehmend, dass Gliazellen vielleicht eine ebenbürtige Rolle spielen. „Gliazellen sind enorm wichtig für unser Gehirn, und wir konnten nun im Detail eine weitere bedeutende Funktion für die Signalübertragung nachweisen“, erläutert Thomas Mittmann vom Institut für Physiologie der Universitätsmedizin Mainz.

Protein NG2 wichtig für Kommunikationskette

Die Kommunikationskette beginnt damit, dass Informationen von Neuronen zu den OPC über den synaptischen Spalt mithilfe des Neurotransmitters Glutamat übertragen werden. In den OPC erhöht sich die Aktivität der Alpha-Sekretase ADAM 10. Sie spaltet nun vermehrt einen Teil des Proteins NG2 von der Vorläuferzelle ab, das dann durch den extrazellulären Raum zu den Nervenzellen wandert. Darauf reagieren die Neurone mit geänderten elektrischen Strömen, die messbar sind. „Wir können über sogenannte Patch-Clamp-Messungen den Zellen sozusagen zuhören, wie sie miteinander reden“, so Thomas Mittmann.

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Oligodendrozyten-Vorläuferzellen (grün) im Gehirn beeinflussen die synaptische Übertragung zwischen Nervenzellen (rot) des neuronalen Netzwerks. Grafik: © Abt. Molekulare Zellbiologie, JGU

Zelluläre Lernvorgänge ohne NG2 eingeschränkt

„Der ganze Mechanismus beginnt bereits bei dem Informationsempfang an den OPC, das heißt die Rückmeldung an die Neurone ist nicht losgelöst vom Empfang zu sehen“, beschreibt Dr. Dominik Sakry, einer der beiden Erstautoren der Studie, die Ereigniskaskade. Wie wichtig die Funktion von NG2 in diesem Ablauf ist, zeigt sich, wenn die Wissenschaftler das Protein entfernen: Die Synapsen der Neurone ändern dann ihre Funktion, die zellulären Lernvorgänge sind eingeschränkt und die Empfindungsverarbeitung ist gestört, was sich im Verhalten der Tiere zeigt.

Originalpublikation:

Oligodendrocyte Precursor Cells Modulate the Neuronal Network by Activity-Dependent Ectodomain Cleavage of Glial NG2
Dominik Sakry, Angela Neitz et al.; PLoS Biology, doi: 10.1371/journal.pbio.1001993; 2014

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