Według nowych badań Oregon Health & Science University często ignorowany rodzaj komórek w mózgu odgrywa dynamiczną i zaskakująco złożoną rolę w naszej zdolności do przetwarzania informacji.
Badanie, opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Science, dostarcza bezpośrednich dowodów na działanie w czasie rzeczywistym rodzaju komórki glejowej, znanej jako astrocyty, w żywych mózgach much owocowych. Obfity typ komórek – około 35% wszystkich komórek w ludzkim mózgu – wydaje się być kluczową częścią organizowania złożonej sieci rządzącej funkcją mózgu.
„Mamy nadzieję, że zaczyna to zasadniczo zmienić sposób, w jaki dziedzina myśli o astrocytach i ich roli w pośredniczeniu w neurofizjologii i zachowania” – powiedział dr starszy autor Marc Freeman, dyrektor OHSU Vollum Institute. „Na dłuższą metę powinno to zmienić sposób, w jaki ludzie myślą o rozwijaniu terapii w celu regulacji uwagi, lęku i nastroju”.
Odkrycie zostało powtórzone w astrocytach gryzoni, co sugeruje, że jest to starożytna cecha ewolucji, która może zostać zachowana u innych ssaków, w tym ludzi.
„Myślę, że jest to ewolucyjne istotne dla przetrwania” – powiedział główny autor Kevin Guttenplan, doktorant postoktorancki w laboratorium Freemana. „Jeśli tygrys jest za tobą, musisz szybko zmienić sposób myślenia całych regionów mózgu – nadszedł czas, aby odciąć wszystko inne na myśli i całkowicie skoncentrować mózg na ucieczce. To nie czas, aby pomyśleć o czymkolwiek innym”.
Budowanie na odkryciach
Pewnego razu uważano, że astrocyty służą jedynie rolę podtrzymującą, zapewniając żywność i usuwając odpady dla neuronów, komórki, które tworzą „hardwirowanie” mózgu poprzez przekazanie sygnałów, umożliwiając nam myślenie, działanie i odczuwanie wrażeń.
W 2016 r. Freeman i współpracownicy udokumentowali po raz pierwszy, że astrocyty przenoszą również sygnały między neuronami.
Opierając się na tym odkryciu, naukowcy pokazują niektóre ze specyficznych mechanizmów ujawniających, w jaki sposób komórki przenoszą sygnały. Okazuje się, że jest to bardzo złożona gra, w której astrocyty mogą włączać i odejść do reagowania na chemiczne neuroprzekaźniki w mózgu, takie jak dopamina i glutaminian.
„Astrocyty są naprawdę duże, a pojedyncza komórka może mieć 100 000 synaps zdolnych do wysyłania sygnałów do innych komórek” – powiedział Guttenplan. „Ten mechanizm pozwala im wybrać, do których neuronów słuchają. Możliwość wyłączenia niektórych z tych obwodów pozwala astrocytom zrozumieć kakofonię aktywności występującej w mózgu od chwili na chwilę”.
Naukowcy odkryli, że poprzez manipulowanie tym szlakiem bramkowania w astrocytach byli w stanie zakłócić zachowanie much owocowych – podkreślając fakt, że te małe zmiany mogą mieć silny wpływ.
„Astrocyty mogą być kluczem”
Neuronaukowcy wcześniej zakładali, że astrocyty są znacznie bardziej pasywnym graczem w fizjologii mózgu.
„To badanie pokazuje znaczenie astrocytów w aktywności i zachowania neuronalnym” – powiedział dr Miriam Leenders, dyrektor programowy w National Institute of Neurological Chisorders and Stroke, część National Institutes of Health, która sfinansowała badanie. „Pokazuje także, w jaki sposób podstawowe badania neuronauki w systemach modelowych, takich jak Fruit Fly, mogą zapewnić kluczowe nowe informacje na temat fizjologii mózgu”.
Nowe badania ujawniają, że astrocyty mogą bezpośrednio reagować na wiadomości ze wszystkich rodzajów neuronów. W ten sposób odgrywają rolę w złożonej sieci sygnalizacji neuronalnej, która napędza poznanie i kontroluje zachowania fizyczne. Ponadto odkryli, że te odpowiedzi zmieniają się dynamicznie ze stanem mózgu, umożliwiając astrocyty na złożoną sieć neuronów umożliwiających mózgowi zajęcie zadań.
„Komórki te aktywnie kontrolują aktywność neuronalną, naprawdę silnie” – powiedział Guttenplan.
Jednak naukowcy ostrzegają, że odkrycie komplikuje naukowe zrozumienie działania mózgu. Wyobraź sobie pojedynczy astrocyt nachylony tysiącami synaps, których mechanizmy bramkowania mogą być na przemian lub wyciszone przez niezliczone wskazówki wirujące wokół niego. A następnie pomnóż go przez miliony astrocytów w całym ludzkim mózgu.
„To jest w przeważającej mierze skomplikowane” – powiedział Guttenplan.
Jednocześnie naukowcy coraz częściej znajdują dowody, że komórki glejowe odgrywają rolę w urazach mózgu i w warunkach neurodegeneracyjnych, takich jak choroby Alzheimera i Parkinsona. Poprawa naukowego zrozumienia, w jaki sposób funkcjonują te komórki, może pomóc w zapobieganiu chorobom lub rozwoju leczenia.
„W niektórych z tych warunków zakłóca się skupienie i uwaga” – powiedział Guttenplan. „Astrocyty mogą być kluczem”.
Oprócz Freemana i Guttenplan, współautorzy należą Isa Maxwell, BA, Erin Santos, BA, Luke A. Borchardt, BS, BS, Ernesto Manzo, Ph.D. i Leire Abalde-Artristain, Ph.D., z Ohsu; i dr Rachel D. Kim z New York University Grossman School of Medicine.