Stärkere Säurereaktion bei epileptischen Mäusen

Forscher der Universität Tohoku haben gezeigt, dass Astrozyten – sternförmige Gliazellen, die die lokale ionische und metabotrope Umgebung des Gehirns kontrollieren – bei Mäusen eine saure Reaktion auf den REM-Schlaf zeigen. Sie theoretisieren, dass die Säurereaktion der zugrunde liegende Antrieb für eine spezifische Informationsverarbeitung und die Erzeugung von Plastizität während des Schlafes sein könnte.

Sie entdeckten ferner, dass sich die REM-Reaktion in Astrozyten im epileptischen Gehirn verstärkte, was bedeutet, dass die Untersuchung von Veränderungen der Gehirnumgebung im Zusammenhang mit dem REM-Schlaf möglicherweise als Biomarker für den Schweregrad der Epileptogenese eingesetzt werden könnte.

Die Ergebnisse wurden detailliert in Gehirn.

Neuronen sind zweifellos für die Informationsverarbeitung im Gehirn verantwortlich. Astrozyten galten nicht als wesentlicher Bestandteil des neuronalen Informationskreislaufs. Jüngste Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass der Zustand des Geistes, wie Bewusstsein, Schlaf, Gedächtnisbildung und Metaplastizität, alle durch die Aktionen der Astrozyten kontrolliert werden können.

Um die Rolle von Astrozyten bei der Gehirnfunktion zu verstehen, wurden fluoreszierende Sensorproteine ​​genetisch in Astrozyten von Mäusen exprimiert. Die Forscher implantierten eine optische Faser in den lateralen Hypothalamus der Mäuse, einen Teil des Gehirns, der für die Steuerung unseres Schlaf- oder Wachzustands und des Ganzkörperstoffwechsels von entscheidender Bedeutung ist.

Durch diese Faser wurde Anregungslicht geschickt und die emittierten Fluoreszenzsignale aufgezeichnet. Mit einer neu entwickelten Methode sezierten die Forscher die Kalziumkonzentration und den pH-Wert der Astrozyten sowie die lokalen Änderungen des Blutvolumens im Gehirn aus den aufgezeichneten optischen Signalen.

Es wurde eine deutliche Veränderung der mit dem REM-Schlaf verbundenen optischen Signale beobachtet. Eine Kalziumabnahme, eine pH-Abnahme (dh Ansäuerung) und eine Zunahme des lokalen Gehirnblutvolumens traten auf. Die Forscher stellten fest, dass Ansäuerung und Veränderungen des Blutvolumens einen starken Einfluss auf die optischen Signale haben; Daher könnten viele der früheren Studien mit Faserphotometrie ihre aufgezeichneten Daten falsch interpretiert haben.

Die Ansäuerung war besonders unerwartet, da die intrazelluläre Zelllösung stark auf den pH-Wert gepuffert ist. Starke Ansäuerung tritt bei Ischämie auf, aber es wurde nicht angenommen, dass pH-Änderungen unter physiologischen Bedingungen auftreten. Diese Ansäuerung der Astrozyten kann die Verstärkung synaptischer Signale antreiben und der Gedächtnisbildung während des REM-Schlafs zugrunde liegen.

Interessanterweise gingen die mit den optischen Aufzeichnungen festgestellten Veränderungen in der lokalen Gehirnumgebung der Signaturänderung der mit dem Elektroenzephalogramm festgestellten neuronalen elektrischen Aktivität des Ensembles um fast 20 Sekunden voraus. Dies deutet darauf hin, dass Astrozyten und vaskuläre Veränderungen den Zustand der neuronalen Aktivität kontrollieren. Der Übergang in den REM-Schlaf kann auch anhand dieser lokalen Veränderungen der Gehirnumgebung vorhergesagt werden.

„Während des REM-Schlafs werden frühere Erfahrungen sortiert und erinnert oder vergessen, und dieser Prozess wird wahrscheinlich als Träume wahrgenommen“, sagt Professor Ko Matsui vom Super-network Brain Physiology Lab an der Tohoku University, der die Forschung leitete. “Die Ansäuerung in Astrozyten kann die Wahrscheinlichkeit von Plastizität in den neuralen Schaltkreisen kontrollieren.”

Die Forscher untersuchten weiter, wie sich die Eigenschaften des REM-Schlafs bei Epilepsie verändern. Wiederholte Stimulierung des Hippocampus einer Maus erzeugt ein Gehirn, das zu Hyperaktivität neigt, und diese “Kinding”-Methode wurde als Modell der Epileptogenese verwendet. Nach dem Kindling wurden spontan auftretende REM-Schlafepisoden aufgezeichnet. Überraschenderweise traten im REM-Schlaf nur sehr geringe Abnahmen des astrozytären Calciums und lokale Erhöhungen des Blutvolumens im Gehirn auf, und es wurde eine starke Säurereaktion von Astrozyten aufgezeichnet.

“Unsere frühere Studie hat eine erhöhte Säurereaktion von Astrozyten im Zusammenhang mit verstärkten epileptischen Anfällen gezeigt”, sagt die leitende Studienleiterin Dr. Yoko Ikoma. „Informationen werden mit elektrischen Signalen in Neuronen übertragen und verarbeitet. Der pH-Wert von Astrozyten kann diese neuronalen Aktivitäten sowohl in der Physiologie als auch bei Krankheiten steuern.“

Die Überwachung des Gesamt-pH-Werts und der lokalen Hirndurchblutung ist beim Menschen mit fMRI möglich. Ikoma sagt, dass diese lokalen Veränderungen der Gehirnumgebung im Zusammenhang mit dem REM-Schlaf möglicherweise zur Diagnose des Schweregrads von Epilepsie bei menschlichen Patienten verwendet werden können. “Eine therapeutische Strategie zur Kontrolle des pH-Werts von Astrozyten könnte möglicherweise zur Verhinderung einer Exazerbation von Epilepsie eingesetzt werden.”