Wie sternförmige Zellen das flexible Lernen steigern

Bonner Forschende lösen das verborgene Rätsel um die Rolle von Astrozyten für Lernprozesse und Gedächtnis im Gehirn

Bonn, 17. Juli – Sternförmige Gliazellen, sogenannte Astrozyten, sind mehr als eine Stützzelle des Gehirns. Sie wirken aktiv an Lernprozessen mit und interagieren dabei mit den Nervenzellen. Aber was genau machen die Astrozyten? Forschende des Universitätsklinikums Bonn (UKB) und der Universität Bonn klären anhand eines biophysikalischen Modells wie Astrozyten im Wechselspiel mit den Nervenzellen die schnelle Anpassung an neue Informationen regulieren. Die Studienergebnisse sind jetzt im renommierten Fachjournal „Nature Communications Biology“ veröffentlicht. 

Im Gehirn ist die synaptische Plastizität – die Fähigkeit, neuronale Verbindungen im Laufe der Zeit zu verändern – von grundlegender Bedeutung für Lernen und Gedächtnis. Traditionell hat sich die Wissenschaft auf Nervenzellen und ihre Synapsen konzentriert. Die Entdeckung der intrazellulären Ca2+-Signalübertragung in Astrozyten führte zu der Idee, dass Astrozyten mehr sind als ein das Gehirn zusammenzuhaltender Klebstoff und bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielen. „Eine Funktionsstörung der Astrozyten kann unsere Lernfähigkeit erheblich beeinträchtigen, was ihre Bedeutung für kognitive Prozesse unterstreicht. Die genauen Funktionen der Astrozyten blieben jedoch lange Zeit ein Rätsel“, beschreibt Korrespondenz- und Co-Seniorautorin Prof. Tatjana Tchumatchenko, Forschungsgruppenleiterin am Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung des UKB und Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) „Modelling“ der Universität Bonn, die Motivation dieser Frage nachzugehen.

Komplizierter Tanz zellulärer Interaktionen beim Lernen enträtselt

„Unsere Arbeit als computergestützte Neurowissenschaftler besteht darin, die Sprache der Mathematik zu verwenden, um die experimentellen Beobachtungen zu interpretieren und kohärente Modelle des Gehirns zu erstellen“, sagt Co-Seniorautor Dr. Pietro Verzelli, ein Postdoktorand aus der Gruppe um Prof. Tchumatchenko. In diesem Fall entwickelten die Forscher ein biophysikalisches Modell des Lernens, das auf einer biochemischen Rückkopplungsschleife zwischen Astrozyten und Neuronen beruht, die kürzlich von Dr. Kirsten Bohmbach, Prof. Christian Henneberger und anderen Forschenden am DZNE und UKB entdeckt wurde (https://doi.org/10.1038/s41467-022-35620-8).

Das biophysikalische Modell erklärt die Lerndefizite, die bei Mäusen mit gestörter astrozytärer Regulation beobachtet wurden, und unterstreicht die entscheidende Rolle, die Astrozyten bei der schnellen Anpassung an neue Informationen spielen. Indem sie den Spiegel des Neurotransmitters D-Serin regulieren, können Astrozyten die Fähigkeit des Gehirns erleichtern, seine synaptischen Verbindungen effizient anzupassen und neu zu verdrahten. „Unser mathematischer Rahmen erklärt nicht nur die experimentellen Beobachtungen, sondern liefert auch neue überprüfbare Vorhersagen über den Lernprozess“, sagt Erstautor Lorenzo Squadrani, ein Doktorand aus der Gruppe von Tchumatchenko.

Diese Forschungsarbeit schließt die Lücke zwischen theoretischen Modellen der Plastizität und experimentellen Erkenntnissen über die Interaktionen zwischen Nerven- und Gliazellen. Sie hebt die astrozytäre Regulation als physiologische Grundlage für dynamische synaptische Anpassungen hervor, ein zentrales Konzept der synaptischen Plastizität. „Unsere Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der molekularen und zellulären Mechanismen bei, die dem Lernen und dem Gedächtnis zugrunde liegen, und bieten neue Möglichkeiten für therapeutische Eingriffe, die auf Astrozyten abzielen, um kognitive Funktionen zu verbessern“, sagt Prof. Tchumatchenko.

Förderung:
Diese Forschung wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projekt-ID 227953431 – SFB 1089 sowie das iBehave-Netzwerk finanziert, das vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert wird.

Publikation: Lorenzo Squadrani, Carlos Wert-Carvajal, Daniel Müller-Komorowska, Kirsten Bohmbach, Christian Henneberger, Pietro Verzelli, and Tatjana Tchumatchenko: Astrocytes enhance plasticity response during reversal learning; Nature Communications Biology; DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-024-06540-8

Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Tatjana Tchumatchenko
Professorin für Computational Neuroscience of Behavior
Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung
Universitätsklinikum Bonn
TRA 1 „Modelling“, Universität Bonn
E-Mail: tatjana.tchumatchenko@uni-bonn.de

Bildmaterial:

Bildunterschrift: Das Modell erweitert die Kommunikation zwischen zwei Neuronen um einen dritten Akteur, den Astrozyten. Endocannabinoide vom postsynaptischen Neuron binden an Astrozytenrezeptoren und verändern die D-Serin-Konzentration, die die Empfindlichkeit der Synapse steuert.
Bildnachweis: Universitätsklinikum Bonn (UKB) / Tchumatchenko Gruppe

Bildmaterial:

Bildunterschrift: Wie sternförmige Zellen das flexible Lernen steigern
(v.l.n.r.) Dr. Pietro Verzelli, Prof. Tatjana Tchumatchenko und Lorenzo Squadrani lösen das verborgene Rätsel um die Rolle von Astrozyten für Lernprozesse und Gedächtnis im Gehirn
Bildnachweis: Universitätsklinikum Bonn (UKB) / Rolf Müller

Pressekontakt:
Dr. Inka Väth
stellv. Pressesprecherin am Universitätsklinikum Bonn (UKB)
Stabsstelle Kommunikation und Medien am Universitätsklinikum Bonn
Telefon: (+49) 228 287-10596
E-Mail: inka.vaeth@ukbonn.de

Zum Universitätsklinikum Bonn: Im UKB finden pro Jahr etwa 500.000 Behandlungen von Patient*innen statt, es sind ca. 9.500 Mitarbeiter*innen beschäftigt und die Bilanzsumme beträgt 1,8 Mrd. Euro. Neben den 3.500 Medizin- und Zahnmedizin-Studierenden werden pro Jahr 550 Personen in zahlreichen Gesundheitsberufen ausgebildet. Das UKB steht in der Focus-Klinikliste auf Platz 1 unter den Universitätsklinika (UK) in NRW und weist den zweithöchsten Case Mix Index (Fallschweregrad) in Deutschland auf. Das F.A.Z.-Institut hat das UKB 2022 und 2023 als Deutschland begehrtesten Arbeitgeber und Ausbildungs-Champion unter den öffentlichen Krankenhäusern in Deutschland ausgezeichnet.

How star-shaped cells increase flexible learning (Eng-PDF Download)