Zellstruktur, die zuvor mit Krankheiten in Verbindung gebracht wurde, verbessert tatsächlich die Gehirnfunktion

Zellstruktur, die zuvor mit Krankheiten in Verbindung gebracht wurde, verbessert tatsächlich die Gehirnfunktion

Forscher der McGill University haben tatsächlich gezeigt, dass eine früher als pathologisch geglaubte Gehirnzellstruktur tatsächlich die Fähigkeit der Zellen verbessert, Informationen zu senden und bei bestimmten Aufgaben viel besser zu wissen.

In einer Forschung veröffentlicht in Nature Communicationsuntersuchte die Gruppe Schwellungen, die in den Axonen der Purkinje-Zellen im Gehirn auftreten. In Ergebnissen, die bekannten Annahmen widersprechen, stellten sie fest, dass Axone mit Schwellungen elektrische Signale viel besser ausführen als solche ohne.

„Bei solchen Ergebnissen kratzt man sich wirklich am Kopf und denkt: ‚Überprüfen wir das noch einmal'“, sagt Senior-Autorin Alanna Watt, außerordentliche Professorin am Fachbereich Biologie. „Als wir damit begannen, gingen wir eigentlich davon aus, dass wir höchstwahrscheinlich genau definieren und abschätzen würden, wie ein Axon zu kurz kommt – was wir nicht gesehen haben.“

Experimentelle Daten widersprechen Erwartungen

Schwellungen in Axonen – den langen, schlanken Fasern, durch die Nervenzellen Informationen an andere Zellen übermitteln – werden bei der normalen Entwicklung und bei Krankheiten beobachtet. Eine erhöhte Anzahl von axonalen Schwellungen wird bei verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen beobachtet, was Wissenschaftler zu der Annahme veranlasst hat, dass Schwellungen einen negativen Einfluss auf die Axonfunktion haben. Während Computermodelle diese Ansicht unterstützen, war das McGill-Forschungsteam das erste, das die Theorie mit Messungen an echten Nervenzellen überprüfte.

Mit einer technisch anspruchsvollen Kombination aus Zwei-Photonen-Mikroskopie und Elektrophysiologie zur gleichzeitigen Messung der elektrischen Aktivität an verschiedenen Stellen innerhalb von Zellen zeigten die Forscher, dass das Vorhandensein von axonalen Schwellungen in Purkinje-Zellen der Maus keinen nachteiligen Einfluss auf die Geschwindigkeit hatte, mit der diese Zellen Signale produzierten ( die Feuerrate) oder die Geschwindigkeit, mit der Axone die Signale übertragen. Bemerkenswerterweise zeigten die Experimente auch, dass Axone mit Schwellungen bei Spitzenfeuerungsraten weniger wahrscheinlich versagten als solche ohne.

Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen in Frage gestellt

Überraschenderweise fanden die McGill-Forscher heraus, dass sie die Bildung von axonalen Schwellungen stimulieren konnten, indem sie ein Arzneimittel einführten, das die Übertragung elektrischer Signale in Nervenzellen, insbesondere in den Axonen, blockierte. Zu sehen, wie sich axonale Schwellungen innerhalb von Stunden bilden, wenn das Axon einer Nervenzelle auf diese Weise kompromittiert wurde, stellt bisherige Annahmen über die Rolle axonaler Schwellungen bei neurodegenerativen Erkrankungen in Frage. Wie Watt erklärt, lässt die Entdeckung Raum für die Möglichkeit, dass Schwellungen eher einen Selbstreparaturmechanismus als eine krankheitsbedingte Verschlechterung darstellen.

„Die Übertragung von Informationen mithilfe elektrischer Signale ist einer der wichtigsten Punkte, die ein Axon tut“, sagt sie. „Wenn es bei dieser Aufgabe zu kurz kommt, macht es Sinn, dass es ein System gibt, das versucht, dies zu vermeiden.“

Verhaltensanalyse bestätigt positiven Einfluss von Schwellungen

Zusätzlich zu ihren Untersuchungen auf zellulärer Ebene versuchten die Forscher, den Einfluss axonaler Schwellungen auf die gesamte Gehirnfunktion zu bestimmen. Das Team verwendete drei Tests zur Beurteilung des motorischen Lernens und der Koordination, die zu den wichtigsten Aufgaben des Kleinhirns gehören. Unterstützt durch Modellierungen zur Berücksichtigung der natürlichen Unterschiede zwischen den individuellen Lernfähigkeiten zeigten die Ergebnisse eine positive Korrelation zwischen der Häufigkeit von axonalen Schwellungen in den Purkinje-Zellen des Kleinhirns und den motorischen Lernfähigkeiten.

„Wir glauben, dass es sich bei dem Weblink höchstwahrscheinlich um einen indirekten handelt“, erklärt Watt. „Das Wissen findet höchstwahrscheinlich woanders statt, aber die Informationen werden besonders zuverlässig weitergegeben und als Ergebnis sehen wir eine Renovierung.“