Astrozytäre Kommunikation im Cortex

Abstract

Astrozyten spielen eine wichtige Rolle bei der Integration und Modulation neuronaler Transmission, was durch zahlreiche Studien hauptsächlich im Hippokampus belegt ist. Über Kommunikation der Astrozyten untereinander und mit Neuronen im frontalen Cortex mittels Ca2+-Signalen ist bisher wenig bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte der Mechanismus der Propagation von Ca2+-Wellen im Cortex und die Reaktion auf neuronale Stimulation in diesem Gebiet untersucht werden. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass Ca2+-Signale innerhalb der Astrozytenpopulation im Cortex im Gegensatz zur weißen Substanz über Connexin-Kanäle propagiert werden. Astrozyten sind in diesem Hirnbereich stark untereinander gekoppelt, wie ebenfalls demonstriert wurde. Das Ausmaß der Kopplung verringerte sich in pathologischen Situationen, wie der Alzheimer-Krankheit. Parallel zur Ca2+-Welle, aber unabhängig von der Propagation der Ca2+-Signale, konnte ATP-Freisetzung aus Astrozyten nachgewiesen werden. Des weiteren wurde beobachtet, dass neuronale Aktivierung von Astrozyten abhängig vom Gebiet des Cortex durch die Transmitter NO oder Glutamat erfolgen kann. Im somatosensorischen Cortex wurde sogar eine selektive Reaktion auf verschiedene Signale in der gleichen Neuronenpopulation demonstriert. Stimulation des Thalamus¬inputs führte im Gegensatz zu spontanen exzitatorischen Netzwerk¬oszillationen zu astrozytären Ca2+-Signalen entlang der neuronalen Verschaltungs¬wege. Zusammengefasst konnte somit im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich der Kommunikationsmechanismus der Astrozyten untereinander und auch die Mechanismen der Wahrnehmung neuronaler Aktivität in verschiedenen Gebieten unterscheiden können. Damit werden dem Bild der Astrozyten als heterogene Population weitere Facetten zugefügt. Die Ergebnisse stärken die Rolle der Astrozyten als integrative Komponenten der Informationsweiterleitung und als Quelle für neuromodulatorische Substanzen, durch die sie wiederum physiologische und auch pathologische Vorgänge im Gehirn beeinflussen können.

Astrocytes play an important role in integrating and modulating neuronal transmission, demonstrated typically in hippocampal preparations. Not much is known about both the inter-astrocytic form of communication, the Ca2+-waves and the crosstalk with neurons in cortical areas. The aim of this study was to characterise prerequisites and mechanisms of Ca2+-wave propagation and the reactions to neuronal activity in acute slices of mouse cortex. First I could show that, in contrast to white matter, Ca2+ wave propagation in cortex relies on functional gap junctions between astrocytes. It was also demonstrated that astrocytes are highly coupled in this area. The extend of coupling can be reduced under pathophysiological conditions, which may lead to altered Ca2+ wave propagation. Furthermore I could detect ATP release from astrocytes which was independent from the propagation of Ca2+ signals. Secondly I observed that the neurotransmitters (NO or glutamate) involved in neuron-astrocyte signalling differ depending on the cortical region. Furthermore I demonstrated selective astrocyte responses to signalling within the same population of neurons in the somatosensory cortex. While stimulation of the thalamic input led to Ca2+-signals in astrocytes along the excitatory pathway, astrocytes stayed silent after spontaneous excitatory neuronal oscillations. Taken together, it is evident that both inter-astrocytic and neuron-astrocyte communication mechanisms differ among brain regions. This adds another facet to the emerging picture of astrocytes being a heterogeneous population of cells. The results also strengthen the view of astrocytes as integrative components of information processing in the brain and as a source of neuromodulatory substances influencing physiological and pathophysiological processes.