Astrocyty ważne jak neurony

Astrocyty przez długi czas opisywane jako komórki pomocnicze, są mocno niedocenianymi elementami w mózgu. Udało się doświadczalnie wykazać ich bezpośredni wpływ na fale mózgowe gamma, odpowiedzialne za składanie obrazu rzeczywistości, formowanie niektórych form pamięci i rozpoznawanie obiektów.

Według współautora badania, profesora Terrence J. Sejnowski z Howard Hughes Medical Institute jest to znaczące odkrycie. Setki wcześniejszych prac łączyły fale gamma z ukierunkowanie uwagi i pamięcią, jednak opierały się one głównie na wyszukaniu korelacji. Tym razem udało się zaprojektować eksperyment, w czasie którego fale gamma zostały selektywnie zmienione przez manipulowanie aktywnością astrocytów. Wyniki pokazują, jak ważny jest to element interakcji mózgu ze światem zewnętrznym.

Jeszcze nie tak dawno astrocyty, należące do komórek glejowych mózgu, uważane były za komórki pomocnicze, odżywiające neurony, usuwające toksyny czy tworzące strukturę tkanki. W latach 90 zaczynają masowo pojawiać się doniesienia sugerujące, że są ważnym elementem przekazywania i obróbki informacji. Astrocyty posiadają receptory neurotransmiterów, reagują na nie i potrafią wydzielać własne cząsteczki sygnałowe (w tym przypadku zwane gliotransmiterami). Z poziomu komórek pomocniczych awansowały do komórek tworzących równoległą do neuronów sieć informacji, która może przekazywać, regulować i przetwarzać sygnały zarówno samodzielnie, jak i w bezpośredniej współpracy z innymi sieciami.  Mimo dużego zainteresowania naukowców, wciąż wiele interakcji jest niejasnych, brakuje też opracowanych metod badawczych. 

Astrocyt człowieka. Wikipedia CC

W opisywanym badaniu zmodyfikowano syntetyczny gen kodujący toksynę tężca (TeNT), zatrzymującą wydzielanie przez astrocyty cząsteczek glutaminianu, służących im do komunikacji. W zmodyfikowanych komórkach zablokowano przekazywanie sygnałów do neuronów. Ekspresja toksyny nie wpływała jednak na same neurony.

Gdy myszom „zablokowanymi” astrocytami podano związek wyzwalający fale gamma, zaobserwowano, że wzór tych fal jest zmieniony w stosunku do naturalnego. Aby dokładniej przetestować hipotezę, zmodyfikowano trzy geny komórek astrocytów taki sposób, aby selektywnie uruchamiać wydzielanie toksyny. Po zablokowaniu w ten sposób sygnalingu astrocytów fale gamma były tłumione, a wyłączenie wydzielania toksyny odwracało efekty.

Myszy ze zmodyfikowanymi astrocytami wydawały się funkcjonować normalnie. Przeprowadzono więc testy poznawcze, aby określić jak zmiany wpłynęły na zdolności mózgu. Jeden z nich polegał na mierzeniu czasu, jaki poświęcają zwierzęta na badanie znanego i nieznanego im przedmiotu. Zdrowe myszy dłużej czasu spędzają z nowym przedmiotem, mniej interesują się z tym, z którym zetknęły się wcześniej.

Myszy w wyłączonym sygnaligniem astrocytów traktowały oba rodzaje przedmiotów w taki sam sposób. Utraciły więc zdolność do zapamiętywania obiektów. Jednocześnie inne formy pamięci wydawały się funkcjonować normalnie.

Hipokamp, część mózgu odpowiedzialna za formowanie pamięci. Czerwony kolor to normalnie działające astrocyty (a1), niebieski - neurony (a3). Zielonym kolorem obrazowane są miejsca, w których aktywna jest ekspresja toksyny TeNT. Obraz a4 zawiera nałożone wcześniejsze panele (Lee, Ghetti i in.; 2014)

Udział astrocytów w tworzeniu tego rodzaju pamięci jest pewnym zaskoczeniem. Komórki te działają powoli, w skali czasu mierzonej w sekundach. Neurony są znacznie szybsze, ich reakcja to milisekundy. Dlatego też astrocyty nie były brane pod uwagę jako elementy, które biorą udział w aktywności mózgu w podejmowania szybkich decyzji czy wymagających szybkiej reakcji.

Wcześniej postrzegane jako strażnicy i wsparcie neuronów i innych komórek mózgowych, astrocyty okazują się być bezpośrednio zaangażowane w przetwarzanie informacji i inne zachowania poznawcze. Są wciąż znacznie wolniejsze niż neurony, jednak tworzą środowisko w którym pojawiają się fale gamma. Mózg w tym stanie przyswaja informacje i zmienia zachowania połączeń między neuronami. Wyniki badania wskazują więc na konieczność zmian w tych modelach aktywności niektórych regionów i funkcji mózgu, które zakładają jedynie udział neuronów. 

U ludzi system rozpoznawania jest niezwykle istotny. Rozpoznawanie innych osób, miejsc, faktów i obiektów z przeszłości jest wymagane do normalnego funkcjonowania w społeczeństwie. Zaburzenia fal gamma towarzyszących tej aktywności są obserwowane w wielu chorobach powiązanych z wyższymi funkcjami mózgu, schizofrenią, autyzmem, epilepsją czy chorobą Alzheimera. W niektórych chorobach obserwuje się zmniejszenie a w innych zwiększenie amplitudy fal gamma. Dlatego też tak ważne jest dokładne zbadanie biochemicznych i molekularnych podstaw tej aktywności.

Seweryn Frasiński

źródła:

www.salk.edu

Hosuk Sean Lee, Andrea Ghetti, António Pinto-Duarte, Xin Wang, Gustavo Dziewczapolski, Francesco Galimi, Salvador Huitron-Resendiz, Juan C. Piña-Crespo, Amanda J. Roberts, Inder M. Verma, Terrence J. Sejnowski, and Stephen F. Heinemann. Astrocytes contribute to gamma oscillations and recognition memory, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, DOI: 10.1073/pnas.1410893111