Astrozyten-Endfüßchen-Funktion: Die Stars im Hintergrund des Gehirns

Einführung

Astrozyten, sternförmige Gliazellen im Nervensystem, galten lange Zeit als passive Stützstrukturen. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass sie eine Vielzahl essentieller Funktionen im Gehirn übernehmen und aktiv an der neuronalen Kommunikation beteiligt sind. Ihre Endfüßchen, spezielle Fortsätze, spielen dabei eine zentrale Rolle.

Was sind Astrozyten?

Astrozyten gehören zu den Gliazellen, den nicht-elektrisch erregbaren Zellen des Nervensystems. Im Gehirn übernehmen sie verschiedene essentielle Funktionen. Sie strukturieren neuronale Netzwerke und schirmen Neurone mit ihren Fortsätzen voneinander ab. Sie sind die Bühnenbauer, die die Kulisse erstellen. Und sie sind Regieassistenten, die dafür sorgen, dass die „Schauspieler“ dort sind, wo sie sein müssen und zur richtigen Zeit mit den richtigen Kollegen interagieren. Astrozyten versorgen Neurone mit Metaboliten und entsorgen deren Abfallprodukte: Sie sind also sowohl für Vorratskammer und Catering-Service als auch für Sanitäranlagen und Abfallentsorgung zuständig. Astrozyten halten das fein abgestimmte Gleichgewicht an Ionen und Transmittern aufrecht. Wie die Requisite sind sie dafür verantwortlich, dass die Akteure ihren Text, Kostüme und Requisiten parat haben und dass nicht benötigte Materialien aus dem Weg geräumt werden. Astrozyten empfangen Signale der Neurone und signalisieren zurück zu ihnen, beeinflussen die synaptische Übertragung und können diese modifizieren. Sie sind die Souffleusen, die den Spielern auf der Bühne helfen.

Der Name Astrozyt geht auf Michael von Lenhossek zurück, der ihn 1895 aufgrund der sternförmigen Gestalt der Zellen einführte (astro = Stern, zyt = Zelle). Inzwischen weiß man, dass es sogar eine Vielzahl unterschiedlicher Typen von Astrozyten und astrozytenähnlichen Zellen mit ganz unterschiedlichen Morphologien gibt. So finden sich in der Netzhaut des Auges die so genannten Müller-​Gliazellen: langgestreckte, eher stabförmige Zellen, deren Aussehen nun so gar nicht an Sterne erinnert. Auch im Kleinhirn gibt es diese besonderen, langgestreckten Astrozyten, die hier allerdings Bergmann-​Gliazellen heißen. Tatsächlich definieren Morphologie und die Beziehung zu Neuronen und Blutgefäßen das Erscheinungsbild von Astrozyten bis heute besser als molekulare Marker. Doch auch wenn sie als schwer definierbare, heterogene Gruppe erscheinen: Allen Astrozyten gemein ist eine enge Verwandtschaft zu Nervenzellen, denn sie alle gehen auf gemeinsame Vorläuferzellen zurück.

Untergruppen von Astrozyten

Mehrere Untergruppen von Astrozyten sind heute bekannt. Dies sind einige der wichtigsten Vertreter:

• Protoplasmische Astrozyten: Diese Astrozyten haben viele feine Fortsätze und sind weitgehend gleichmäßig in der grauen Substanz, also zwischen den Zellkörpern und dendritischen Ausläufern der Neurone, verteilt.
• Fibröse Astrozyten: Fibröse Astrozyten senden ihre weniger verzweigten Ausläufer parallel zu den Fasertrakten der weißen Substanz, d. h. entlang der Axone, aus.
• Bergmann-Gliazellen: Im Kleinhirn sitzen Bergmann-Gliazellen in direkter Nachbarschaft zu den Purkinje-Neuronen in der Körnerzellschicht.
• Müller-Gliazellen: In der Netzhaut sind -neben „normalen“ Astrozyten-Gliazellen die astrozytenähnlichen Müller-Gliazellen anzufinden.

Die Funktion der Astrozyten-Endfüßchen

Eine der Hauptaufgaben von Astrozyten ist, ihre elektrisch aktiven Verwandten mit Energie zu versorgen - so wie das Catering die Schauspieler mit Speisen und Getränken. Dafür stellen sie Kontakt zu Blutgefäßen her, die sie mit ihren „Endfüßchen“ genannten verdickten Fortsätzen umhüllen und bilden so „tight junctions“. Da Neurone nicht in der Lage sind, Glukose in erforderlicher Menge direkt aus dem Blut zu beziehen, und auch nicht über eigene Energiespeicher verfügen, versorgen die Astrozyten sie mit der benötigten Energie. Dabei verstoffwechseln sie Glukose zunächst selbst zu Milchsäure (Laktat) und stellen sie dann den benachbarten Neuronen zur Verfügung. Steht nicht genug Blutzucker zur Verfügung, greifen sie hierfür sogar ihre eigenen Reserven an.

Lesen Sie auch: Ursachen, Symptome und Behandlungen von Motoneuron-Erkrankungen

Blut-Hirn-Schranke

Astrozyten sind ein wichtiger Teil der Blut-Hirn-Schranke. Diese verhindert den unkontrollierten Übertritt von Fremdstoffen in das Hirngewebe und damit Infektionen und Entzündungen. Die Astrozyten selbst stellen zwar keine echte Barriere dar; sie steuern jedoch die Ausbildung von Tight-​junctions an den Endothelzellen, welche die Blutgefäße auskleiden. Diese sorgen dafür, dass sich kein unerwünschter Eindringling zwischen den Zellen hindurchquetschen kann. Gelingt doch einmal einem Unhold der Durchbruch, sind Astrozyten zwar zu einem gewissen Teil an der Reaktion beteiligt, doch die Immunabwehr im Gehirn wird hauptsächlich von spezialisierten Zellen übernommen, der Mikroglia (Gesundheitswächter im Gehirn).

Weitere Funktionen der Astrozyten

Doch die Astrozyten beschränken sich nicht auf das reine Catering. Sie sorgen auch für eine an den Bedarf angepasste, effiziente Steuerung der Zulieferung im Gehirn. Um die Versorgung stark arbeitender Neurone sicherzustellen, können Astrozyten die Gefäßweite und damit den lokalen Blutfluss regulieren. Nebenbei bemerkt führt dies zu den Bildern, die wir aus funktionellen Kernspintomografen (fMRT) kennen: Im fMRT wird die erhöhte Durchblutung und Sauerstoffversorgung von Hirnbereichen nach einer Aktivität sichtbar gemacht.

Auch auf anderer Ebene bilden Astrozyten Barrieren: In der Großhirnrinde höherer Primaten beteiligen sich Astrozyten mit besonders langgestreckten Fortsätzen am Aufbau von Palisaden - so wie Bühnenbauer eine leere Bühne in eine Landschaft mit unterschiedlichen Bereichen verwandeln. Über die Funktion dieser Palisaden ist bislang wenig bekannt. Man vermutet jedoch, dass sie als räumliche Begrenzungen die modulare Organisation des Cortex optimieren, also daran beteiligt sind, dass bestimmte Bereiche des Cortex einer bestimmten Hirnfunktion zugeordnet sind. Diese Ordnung herzustellen - im Großen wie im Kleinen -, auch dafür sind die Astrozyten zuständig.

Im Kleinen trennen sie einzelne Synapsen räumlich voneinander: In vielen Hirngebieten sitzen ihre feinen Ausläufer direkt am und um den synaptischen Spalt, so dass dieser zu einem funktionellen Raum wird. In der Kleinhirnrinde zum Beispiel verhindern die Ausläufer der Bergmann-​Gliazellen, dass Transmitter aus dem Spalt in die Umgebung geraten und umgekehrt Transmitter von außen eindringen. So wird sichergestellt, dass Botenstoffe nur innerhalb einer Synapse wirken und diese nicht verlassen. Das gewährleistet eine hohe Präzision der Signale. Es gibt aber auch neuronale Kontaktstellen, die nicht unter einer solch starken Kontrolle durch die Astrozyten stehen. Im Großhirn zum Beispiel sind viele Synapsen nur zum Teil mit Astrozytenausläufern bedeckt - und Transmitter können der einzelnen Synapse dadurch leichter entkommen. Erstaunlicherweise ist diese räumliche Beziehung jedoch nicht statisch: Die Ausläufer der Astrozyten sind wohl keine starren Gebilde, sondern unter bestimmten Bedingungen plastisch und beweglich. Damit können Astrozyten die synaptische Transmission einer einzelnen Synapse direkt und unmittelbar verändern: Ziehen sich die Fortsätze zurück, öffnet sich der Spalt zur Umgebung hin.

Regulation der neuronalen Kommunikation

Damit ist die Rolle der Astrozyten in der neuronalen Kommunikation nicht zu Ende. Im Gegenteil. Denn auch beim Aktionspotenzial - dem elektrischen Ausgangssignal der Neurone - wirken sie regulierend, indem sie das von Neuronen in die Synapse abgegebene Kalium aufnehmen. Da die Astrozyten zudem durch Gap junctions untereinander verbunden sind, bilden sie einen mehrzelligen funktionalen Raum, in dem sie die aufgenommene Ladung schnell ausgleichen und verteilen können. Ohne diese Kalium-​Aufnahme durch die Astrozyten kann es zu starken Entladungen kommen, die denen bei epileptischer Aktivität ähneln. Forscher wie Professor Christian Steinhäuser an der Universität Bonn sehen daher in den Veränderungen, die sie an Astrozyten aus dem Gehirn von Patienten mit Epilepsien beobachtet haben, eine Mitursache für die Entstehung dieser Krankheitsbilder.

Lesen Sie auch: Fliegen und Drohnen im Fokus

Astrozyten sorgen also dafür, dass Neurone bei ihren Signalen nicht durcheinanderkommen, und bestimmen damit sozusagen die Lautstärke, in der sich Neurone miteinander unterhalten. Auch zur Säuberung des synaptischen Spalts von „alten“ Transmitter-​Molekülen besitzen Astrozyten eigene Transporter. Diese sorgen dafür, dass die Botenstoffe der Nervenzellen schnell aus dem Weg geräumt werden, nachdem sie ihre Arbeit getan haben. Auch das verhindert, dass Rezeptoren fortwährend aktiviert sind und die Nerven dadurch übererregt werden. Fällt diese Funktion aus, sammeln sich die Transmitter zwischen den Nervenzellen an.

Die Sprache der Astrozyten

Astrozyten können, wie bereits erwähnt, keine Aktionspotenziale senden, wie Neurone es tun. Ihre Sprache ist eine andere: Sie unterhalten sich vorwiegend über Ionen-​Signale. Denn Astrozyten besitzen Rezeptoren und sind sensibel für unterschiedliche Botenstoffe. Deren Aktivierung führt oft zu einem Anstieg der Kalzium-​Konzentration innerhalb der Gliazelle, der sogar zu benachbarten Astrozyten weitergeleitet werden kann - sie können also „hören“, was Neurone „reden“. Und: antworten, denn auch Astrozyten sind in der Lage, Transmitter freizusetzen. Zusammengefasst: Sie können also nicht nur untereinander, sondern auch zurück zu den Neuronen signalisieren, von denen sie das ursprünglich aktivierende Signal bekommen haben - ein Feedback-​Mechanismus, der viel Aufmerksamkeit unter Forschern erregte.

Hier eine weitere Rolle: Astrozyten sind die Souffleusen, die durch ihr Flüstern für das Publikum nicht so leicht vernehmbar sind wie die Schauspieler, aber von diesen durchaus gehört und verstanden werden. Wie stark sich die Schauspieler dadurch tatsächlich beeinflussen lassen, ist heute noch umstritten: Während manche Wissenschaftler Astrozyten eine direkte und unmittelbare Rolle bei der Entstehung von Lern- und Gedächtnisinhalten auf zellulärer Ebene zuschreiben, sind andere etwas vorsichtiger. Sie sehen ihren Einfluss eher indirekt, durch die variable Separierung des synaptischen Spalts, die variable Aufnahme extrazellulären Kaliums sowie die ebenso variable Wiederaufnahme freigesetzter Transmitter.

Astrozyten und Schlaf

Nicht zuletzt sind Astrozyten auch daran beteiligt, wie wir schlafen, denn Gliazellen können den tagesabhängigen Schlafrhythmus modulieren (Anatomie des Schlafes). Sie beeinflussen zudem das Schlafbedürfnis und wirken wie Messfühler, die das Wachsein protokollieren. Dies geschieht wahrscheinlich dadurch, dass sie Adenosintriphosphat (ATP) freisetzen, welches außerhalb der Zellen zu Adenosin umgewandelt wird. Dieses Adenosin wiederrum sammelt sich langsam an und aktiviert mehr und mehr Rezeptoren, die die Aktivität von Nervenzellen reduzieren. Wird die Freisetzung von ATP aus Gliazellen verhindert, führt dies zu einer Verringerung der Schlafintensität, der Schlafdauer und nicht zuletzt der Schlafkontinuität nach Schlafentzug.

Lesen Sie auch: Die Rolle des Zellkörpers in Neuronen

tags: #neuron #end #fiutscher