Artikel zur Langlebigkeit

Wie Astrozytenzellen mit zunehmendem Alter ihre Plastizität beibehalten

Wie Astrozytenzellen mit zunehmendem Alter ihre Plastizität beibehalten
  • Im sich entwickelnden Gehirn entstehen neue Neuron-zu-Neuron-Verbindungen, sogenannte Synapsen. Unnötige Synapsen werden mit zunehmendem Alter abgebaut, was als Plastizität des Gehirns bezeichnet wird. 

  • Mikroglia- und Astrozytenzellen im Gehirn unterstützen Neuronen und ihre Synapsen; Beide arbeiten daran, die unnötigen Synapsen ständig zu beseitigen, indem sie sie in einem Reinigungsprozess namens Phagozytose „fressen“.

  • Bisher wurde angenommen, dass nur Mikroglia eine Phagozytose durchführten; Diese Studie kommt zu dem Ergebnis, dass in der CA1-Region des Hippocampus des erwachsenen Gehirns Astrozyten die primäre Reinigungszelle sind, die die Synapsenzahl und -plastizität steuert.

Dieser Artikel wurde im News Center des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) veröffentlicht: 

Beim Lernen und Erinnern entstehen in sich entwickelnden Gehirnen ständig neue neuronale Verbindungen, sogenannte Synapsen. Wichtige Verbindungen – diejenigen, die immer wieder hergestellt werden, etwa wie man Gefahren vermeidet – werden gepflegt und gestärkt, während Verbindungen, die als unnötig erachtet werden, weggeschnitten werden. Erwachsene Gehirne werden einer ähnlichen Beschneidung unterzogen, es war jedoch unklar, wie und warum Synapsen im erwachsenen Gehirn entfernt werden.

Jetzt hat ein in Korea ansässiges Forscherteam den Mechanismus entdeckt, der der Plastizität und möglicherweise neurologischen Störungen im erwachsenen Gehirn zugrunde liegt. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse am 23. Dezember in Natur.

„Unsere Ergebnisse haben tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis davon, wie sich neuronale Schaltkreise beim Lernen und Gedächtnis sowie bei Krankheiten verändern“, sagte der Autor des Artikels Won-Suk Chung, Assistenzprofessor in der Abteilung für Biowissenschaften am KAIST.

„Veränderungen in der Synapsenzahl stehen in starkem Zusammenhang mit der Prävalenz verschiedener neurologischer Störungen, wie etwa Autismus-Spektrum-Störung, Schizophrenie, frontotemporaler Demenz und verschiedenen Formen von Anfällen.“

Die graue Substanz im Gehirn enthält Mikroglia und Astrozyten, zwei komplementäre Zellen, die unter anderem Neuronen und Synapsen unterstützen. Mikrogliazellen sind an vorderster Front der Immunabwehr und für den Verzehr von Krankheitserregern und toten Zellen verantwortlich. Astrozyten sind sternförmige Zellen, die dabei helfen, das Gehirn zu strukturieren und die Homöostase aufrechtzuerhalten, indem sie die Signalübertragung zwischen Neuronen steuern. Laut Professor Chung geht man allgemein davon aus, dass Mikroglia im Rahmen ihrer Reinigungsbemühungen Synapsen fressen, ein Prozess, der als Phagozytose bekannt ist.

„Mit neuartigen Werkzeugen zeigen wir zum ersten Mal, dass es Astrozyten und nicht Mikroglia sind, die als Reaktion auf neuronale Aktivität ständig übermäßige und unnötige erregende synaptische Verbindungen bei Erwachsenen eliminieren“, sagte Professor Chung. „Unser Artikel stellt den allgemeinen Konsens auf diesem Gebiet in Frage, dass Mikroglia die primären Synapsen-Phagozyten sind, die die Synapsenanzahl im Gehirn steuern.“

Professor Chung und sein Team entwickelten einen molekularen Sensor zur Erkennung der Synapseneliminierung durch Gliazellen und quantifizierten, wie oft und durch welche Art von Zellsynapsen die Eliminierung erfolgte. Sie setzten es auch in einem Mausmodell ohne MEGF10 ein, dem Gen, das es Astrozyten ermöglicht, Synapsen zu eliminieren. Erwachsene Tiere mit dieser defekten astrozytären Phagozytose hatten ungewöhnlich erhöhte erregende Synapsenzahlen im Hippocampus. Durch eine Zusammenarbeit mit Dr. Hyungju Park am KBRI zeigten sie, dass diese erhöhten erregenden Synapsen funktionell beeinträchtigt sind, was bei MEGF10-deletierten Tieren zu fehlerhaftem Lernen und Gedächtnisbildung führt.

„Durch diesen Prozess zeigen wir, dass Astrozyten zumindest in der CA1-Region des erwachsenen Hippocampus der Hauptakteur bei der Eliminierung von Synapsen sind und dass diese Astrozytenfunktion für die Kontrolle der Synapsenzahl und -plastizität wesentlich ist“, sagte Chung.

Professor Chung stellte fest, dass Forscher gerade erst beginnen zu verstehen, wie sich die Eliminierung von Synapsen auf die Reifung und Homöostase im Gehirn auswirkt. In den vorläufigen Daten seiner Gruppe in anderen Gehirnregionen scheint es, dass jede Region unterschiedliche Geschwindigkeiten der synaptischen Eliminierung durch Astrozyten aufweist. Sie vermuten, dass eine Vielzahl interner und externer Faktoren Einfluss darauf haben, wie Astrozyten jeden regionalen Schaltkreis modulieren, und planen, diese Variablen aufzuklären.

„Unser langfristiges Ziel ist es zu verstehen, wie sich der durch Astrozyten vermittelte Synapsenumsatz auf die Entstehung und das Fortschreiten verschiedener neurologischer Störungen auswirkt“, sagte Professor Chung. „Es ist faszinierend zu postulieren, dass die Modulation der astrozytären Phagozytose zur Wiederherstellung der synaptischen Konnektivität eine neuartige Strategie bei der Behandlung verschiedener Hirnerkrankungen sein könnte.“

Diese Studie wurde veröffentlicht in Natur im Dezember 2020. 



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