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Pangliale Kopplung und die metabolische Versorgung von Axonen und Synapsen

Antragstellerinnen / Antragsteller Professor Dr. Christian Steinhäuser; Privatdozentin Dr. Susanne A. Wolf, seit 1/2023
Fachliche Zuordnung Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
Förderung Förderung von 2013 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235153551
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Gehirn dominieren zwei Zellpopulationen, Neurone und Gliazellen. Neurone vermitteln die elektrische Aktivität im Gehirn. Gliazellen sind nicht nur Stützelemente, sondern interagieren mit Neuronen und beeinflussen die Informationsübertragung im Zentralnervensystem (ZNS). In diesem Projekt haben wir uns auf die Makrogliazellen fokussiert, nämlich Oligodendrozyten, Astrozyten und die sogenannten NG2 Gliazellen, und haben Eigenschaften und Konsequenzen ihrer Interaktion über elektrische Synapsen oder „gap junctions“ untersucht. Diese Strukturen dienen als Kommunikations- und Transport-Kanäle zwischen Zellen. Über diese Verbindungen bilden Gliazellen Netzwerke, mit Hilfe derer sie Neurone mit Nährstoffen versorgen und neuronale Aktivität beeinflussen. Neuron-Glia Interaktionen wurden bisher hauptsächlich in der grauen Substanz untersucht. In unserem Projekt haben wir eine neue Präparation entwickelt, mit der wir die Kommunikation über gap junctions mit Hilfe der Patch-Clamp Technik und Tracer-Filling auch in einer Struktur der weißen Substanz, dem optischen Nerv, untersuchen konnten. Diese Struktur ist kein klassischer Nerv, sondern Teil des ZNS und enthält die typischen Makrogliazellen des ZNS. Anhand akuter Präparationen des optischen Nervs aus Reporter-Mauslinien konnten wir die wesentlichen Makroglia-Elemente erstmals elektrophysiologisch charakterisieren und mit Tracer-Filling und anschließender Immunfärbung zeigen, dass die Makrogliazellen gekoppelt sind, wobei die Netzwerke allerdings erheblich kleiner sind im Vergleich zu Strukturen der grauen Substanz wie Kortex oder Hippocampus. Wir haben auch gefunden, dass die Gliazellen funktionelle Neurotransmitter Rezeptoren exprimieren, nämlich Glutamat- und GABAA Rezeptoren. In einem weiteren Ansatz haben wir die Bedeutung makroglialer Kopplung für die Informationsverarbeitung im Thalamus untersucht. Zunächst konnten wir durch Feldpotenzialableitungen und intrazelluläre Applikation von Energie-Metaboliten zeigen, dass pangliale gap junction Kopplung zwischen Oligodendrozyten und Astrozyten im ventrobasalen Thalamus von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung synaptischer Aktivität in dieser Hirnregion ist. Anschließend haben wir untersucht, ob und über welche Mechanismen neuronale Aktivität auf die Effizienz der panglialen Kopplung im Thalamus zurückwirkt. In akuten Hirnschnitten führte Blockade von Aktionspotentialen zur Verringerung der Kopplungs-Effizienz. Systematische Analyse von Mauslinien mit Deletionen einzelner Connexin-Isoformen, also den Proteinen, die die gap junctions bilden, hat gezeigt, dass die Connexine 32 und 47, die von Oligodendrozyten exprimiert werden, durch neuronale Aktivität moduliert werden. Schließlich konnten wir auch nachweisen, dass in einem kritischen Zeitfenster nach sensorischer Deprivation (durch einseitiges Entfernen der Barthaare) die panglialen Kopplungs-Netzwerke auch in vivo moduliert werden. Unsere Ergebnisse zeigen also, dass im Thalamus pangliale Kopplung essentiell für die energetische Versorgung der Neurone ist und, umgekehrt, dass neuronale Aktivität die Effizienz des glialen Energietransfer-Netzwerks reguliert. Insgesamt hat unser gemeinsames Projekt also nachgewiesen, dass und wie sich Eigenschaften und Funktionen glialer Netzwerke in verschiedenen Hirnregionen voneinander morphologisch und funktionell unterscheiden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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