Neurone im Gehirn hören auf Gliazellen

Forschungskooperation weist veränderte Informationsübertragung zwischen Neuronen nach / Wichtige Funktion für Lernvorgänge und Empfindungsverarbeitung

12.12.2014

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 Neurone, also 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 beispielsweise 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.

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, 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 für Oligodendrocyte Precursor Cells genannt, haben sich die Mainzer Wissenschaftler genauer angeschaut.

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 Netzwerks", erklärt Univ.-Prof. Dr. Jacqueline Trotter von der Abteilung Molekulare Zellbiologie der JGU. Die diversen Funktionen des Gehirns wurden früher im Wesentlichen durch die Neurone erklärt. In den letzten Jahren hat sich aber zunehmend gezeigt, 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 Univ.-Prof. Dr. Thomas Mittmann vom Institut für Physiologie der Universitätsmedizin Mainz.

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 Mittmann.

"Der ganze Mechanismus beginnt bereits beim Informationsempfang an den OPC. Die Rückmeldung an die Neurone ist also 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.

Der Nachweis, dass die Kommunikation zwischen den beiden Zelltypen im Gehirn keine Einbahnstraße, sondern ein komplexer Mechanismus mit Rückkopplungen ist, wurde im Rahmen einer breiten Kooperation zwischen Physiologen und Molekularbiologen erbracht. An der Studie beteiligt waren an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz neben den Fachbereichen Universitätsmedizin und Biologie das Forschungszentrum Translationale Neurowissenschaften (FTN) und die Plattform für Mausverhalten (MBU) sowie zwei Mainzer Sonderforschungsbereiche (CRC 1080 und CRC-TR 128) sowie das Leibniz-Institut für Neurobiologie in Magdeburg. Wissenschaftler aus sieben Nationen waren an den Studien beteiligt.

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Veröffentlichung
Dominik Sakry, Angela Neitz et al., Oligodendrocyte Precursor Cells Modulate the Neuronal Network by Activity-Dependent Ectodomain Cleavage of Glial NG2, PLoS Biology 12(11): e1001993, 11. November 2014
DOI:10.1371/journal.pbio.1001993
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Bild in Originalgröße ansehen Abb.: Abt. Molekulare Zellbiologie
Oligodendrozyten-Vorläuferzellen (grün) im Gehirn beeinflussen die synaptische Übertragung zwischen Nervenzellen (rot) des neuronalen Netzwerks.

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Bild in Originalgröße ansehen Abb.: Abteilung Molekulare Zellbiologie
Modell über die aufgedeckten molekularen Signalwege zwischen den OPC (grün), einer Untergruppe der Gliazellen, und dem neuronalen Netzwerk (grau). Ein zentraler Mechanismus stellt hierbei die Abspaltung eines Fragments des NG2-Proteins von den OPC dar (1), das die Signalübertragung an bestimmten (erregenden) Synapsen des neuronalen Netzwerkes moduliert (2).
Kontakt Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Jacqueline Trotter
Abteilung Molekulare Zellbiologie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel 06131 39-20263
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Universitätsmedizin Mainz
Univ.-Prof. Dr. Thomas Mittmann
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