Komórki glejowe stanowią niemal połowę wszystkich komórek mózgu. Wśród nich najliczniejszą grupą są astrocyty. Mają one długie wypustki umożliwiające interakcję z synapsami neuronów. Ich głównym zadaniem jest usuwanie z przestrzeni międzykomórkowej cząsteczek glutaminianu i jonów potasu, które znalazły się tam wskutek aktywacji elektrycznej neuronów. Dotychczas uznawano, iż choć działanie astrocytów jest zależne od napięcia elektrycznego neuronów, to one same pozostają elektrycznie obojętne. Innymi słowy, powszechnie przyjmuje się, że astrocyty nie uczestniczą w transmisji sygnału elektrycznego. Jednak najnowsze odkrycie naukowców z Wydziału Medycznego Tufts University pozwala sądzić, że sprzątanie przestrzeni międzykomórkowej to tylko część ich funkcji – być może wcale nie najważniejsza. Otóż wyniki ich badań, opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma Nature Neuroscience, wskazują na dotychczas niezauważony aspekt działania astrocytów. Mianowicie komórki te – tak jak neurony – także okazują się mieć zdolność do przekazywania informacji zakodowanej w impulsach elektrycznych.
“Aktywność elektryczna astrocytów zmienia funkcjonowanie sąsiednich neuronów. To odkrycie ujawnia nowy sposób interakcji pomiędzy dwoma najważniejszymi rodzajami komórek mózgu. Dzięki niemu w przyszłości będziemy mogli opracować skuteczne metody terapii zaburzeń neurologicznych” – opowiada Chris Dulla, profesor Wydziału Medycznego i współautor badania.
Aby dokonać tego odkrycia, zespół naukowców wykorzystał technologię, która umożliwia obserwację i pomiar potencjałów elektrycznych pojedynczych komórek mózgu. Polega ona na zastosowaniu genetycznie zakodowanych wskaźników napięcia (ang. genetically encoded voltage indicators, GEVIs), czyli fluorescencyjnych białek znajdujących się w błonie komórkowej. Te białka zostały zaprojektowane tak, by poziom emitowanego przez nie światła odzwierciedlał potencjał błonowy komórki, w którą są wbudowane. Naukowcy wyhodowali genetycznie zmodyfikowane myszy, które posiadały GEVIs na wypustkach astrocytów. Dzięki temu mogli zaobserwować zmiany napięcia powierzchni tych komórek glejowych w trakcie aktywacji komórek nerwowych. Wyniki ujawniły, iż gdy neuron transmitował sygnał elektryczny, napięcie błony sąsiadującego z nim astrocytu ulegało znacznej depolaryzacji, prawdopodobnie pod wpływem zwiększenia zawartości jonów potasu w przestrzeni międzykomórkowej. Naukowcy wykryli ponadto, iż depolaryzacja wypustek astrocytów zmniejszała szybkość, z jaką te usuwały z przestrzeni międzykomórkowej cząsteczki glutaminianu. Natomiast przedłużona obecność glutaminianu wzmacniała aktywację komórki nerwowej.
“Dzięki tej technologii odkrywamy całkowicie nowe aspekty neurobiologii. Rozdzielczość naszych narzędzi nieustannie wzrasta – np. fluorescencyjne białka stają się coraz dokładniejsze – dzięki czemu możemy zaobserwować procesy, z których istnienia wcześniej nie zdawaliśmy sobie nawet sprawy” – wyjaśnia Moritz Armbruster, adiunkt na Wydziale Medycznym Tufts University i autor badania.
W ten oto sposób zespół naukowców odkrył dotychczas nieznaną rolę astrocytów w transmisji sygnału elektrycznego. Otóż jony potasu, uwalniane podczas potencjału czynnościowego neuronu, wpływają na ładunek elektryczny astrocytu. Zmiana aktywności elektrycznej tego ostatniego prowadzi zaś do modyfikacji przesyłu sygnału przez komórkę nerwową. Odkrycie tych wzajemnych interakcji rodzi wiele pytań odnośnie ich roli w rozwoju mózgu, podczas uczenia się i zapamiętywania oraz w przebiegu zaburzeń neurologicznych. Naukowcy sugerują, że należy ponownie przeanalizować znane funkcje astrocytów, ponieważ fakt, iż aktywność elektryczna tych komórek jest zmienna, może mieć wpływ na rozmaite procesy. Na przykład w chorobie Alzheimera astrocyty przestają pełnić niektóre ze swych funkcji, np. regulować poziom neurotransmiterów. Podobne zjawiska zaobserwowano w przebiegu epilepsji oraz na skutek traumatycznego urazu mózgu. Dotychczas przypuszczano, że wynikają one z niedoboru pewnych białek lub wystąpienia ich mutacji.
“Nagromadzenie cząsteczek potasu w przestrzeni międzykomórkowej należy do etiologii zaburzeń neurologicznych takich jak epilepsja oraz migrenowy ból głowy. Wyniki naszego badania pozwalają nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób astrocyty oczyszczają nadmiar potasu i tym samym regulują aktywację komórek nerwowych” – podsumowuje Armbruster.
Obecnie naukowcy mają zamiar zidentyfikować substancje, przy pomocy których można byłoby modyfikować interakcje pomiędzy neuronami i astrocytami. Dzięki temu w przyszłości mogą uzyskać sposoby na wsparcie terapii zaburzeń neurologicznych, np. choroby Alzheimera.
