Een brein is niets anders dan communicatief. Neuronen zijn de babbelboxen van dit gespreksorgaan en ze spreken met elkaar door elektriciteitspulsen uit te wisselen met behulp van chemische boodschappers die neurotransmitters worden genoemd. Door dit proces miljarden keren per seconde te herhalen, zetten de hersenen clusters van chemicaliën om in gecoördineerde acties, herinneringen en gedachten.

Onderzoekers bestuderen hoe de hersenen werken door dat chemische gesprek af te luisteren. Maar neuronen praten zo luid en vaak dat het moeilijk kan zijn om ze te horen als er andere, zachtere stemmen zijn.

Gedurende het grootste deel van de 20e eeuw waren neurowetenschappers het er grotendeels over eens dat neuronen de enige hersencellen zijn die elektrische signalen voortplanten. Men dacht dat alle andere hersencellen, glia genaamd, een puur ondersteunende rol vervulden. Toen, in 1990, deed zich een merkwaardig fenomeen voor: onderzoekers opgemerkt een astrocyt, een subtype van gliacellen, die reageert op glutamaat, de belangrijkste neurotransmitter die elektrische activiteit genereert.

In de decennia daarna zijn onderzoeksteams met tegenstrijdig bewijsmateriaal op de proppen gekomen. Sommigen melden dat astrocyten signalen afgeven, terwijl anderen antwoorden dat dit absoluut niet het geval is. Het meningsverschil speelde zich af op conferenties en in het buitenland beoordelen na beoordelen van het bewijsmateriaal. De twee partijen leken onverenigbaar.

Een nieuw artikel gepubliceerd in NATUUR in september presenteert het beste bewijs tot nu toe dat astrocyten kunnen signaleren, verzameld gedurende acht jaar door een team onder leiding van Andrea Volterra, gastfaculteit aan het Wyss Center for Bio and Neuro Engineering in Genève, Zwitserland. De studie omvat twee belangrijke bewijsstukken: afbeeldingen van glutamaat dat uit astrocyten stroomt, en genetische gegevens die suggereren dat deze cellen, glutamatergische astrocyten genoemd, over de cellulaire machinerie beschikken om glutamaat te gebruiken zoals neuronen dat doen.

Het artikel helpt ook bij het verklaren van de decennia van tegenstrijdige bevindingen. Omdat slechts enkele astrocyten deze signalering kunnen uitvoeren, hebben beide kanten van de controverse in zekere zin gelijk: de resultaten van een onderzoeker hangen af ​​van welke astrocyten ze hebben bemonsterd.

“Deze studie is zo cool omdat het een verklaring biedt waarom beide stukjes data beschikbaar waren en tegenstrijdig waren”, zegt Christopher Dulla, hoogleraar neurowetenschappen aan de Tufts University die astrocytische signalering bestudeert en niet betrokken was bij het nieuwe werk. “Ik heb de neiging om het te kopen.”

De ontdekking opent de mogelijkheid dat sommige astrocyten een essentieel onderdeel vormen van de circuits van de hersenen. “Steeds meer komen we tot het idee dat alle celtypen betrokken zijn bij de functie van de hersenen,” zei Volterra. “Het is veel meer geïntegreerd dan eerder werd gedacht.”

Een communicatief web

De verzamelnaam “glia” – van het Griekse woord voor “lijm” – voor alle hersencellen die geen neuronen zijn, zoals astrocyten, geeft de aanvankelijke opvatting van wetenschappers weer dat hun hoofddoel was om neuronen bij elkaar te houden. Sinds de eerste beschrijving van astrocyten in 1865 hebben onderzoekers dat echter ontdekt ze kunnen nog veel meer. Om te beginnen hebben ze glutamaatreceptoren, die ze gebruiken om overtollige neurotransmitters in de ruimtes rond neuronen te detecteren en op te ruimen.

Wat minder duidelijk is, is of ze glutamaat kunnen gebruiken om zelf een elektrisch signaal te genereren. In 1994, onderzoekers gestimuleerde astrocyten in een schotel en zag dat nabijgelegen neuronen leken te reageren door zich voor te bereiden op het verzenden van een signaal. En in 1997 Volterra en zijn collega's het omgekeerde waargenomen: Astrocyten van ratten beantwoordden de oproepen van neuronen met oscillerende golven van het signaalmolecuul calcium. Van 2000 tot 2012 publiceerden onderzoekers meer dan 100 artikelen waarin bewijsmateriaal werd gerapporteerd ten gunste van het vermogen van astrocyten om via synapsen te communiceren.

Maar anderen vroegen zich af hoe dat bewijsmateriaal werd verzameld en geïnterpreteerd. In 2014 bijvoorbeeld onderzoekers ontdekt dat een belangrijk muismodel gebrekkig was, wat vragen opriep over de eerdere onderzoeken waarbij deze muizen werden gebruikt.

Ondertussen evolueerde de kijk op astrocyten en wetenschappers begonnen hen te beschouwen als actieve deelnemers aan de verwerking van informatie door de hersenen. Terwijl neuronen en hun vertakkende dendrieten vaak worden voorgesteld als bomen, lijken astrocyten meer op een schimmel, die een strak geweven mat vormt die de hersenen bedekt en informatie deelt tussen de samenstellende delen ervan. Op deze manier lijken astrocyten een gecoördineerd web te vormen dat de neuronale activiteit beïnvloedt. In 2016, toen ze neurowetenschappelijk onderzoek deed aan de Universiteit van Californië, San Francisco, zei Kira Poskanzer bijvoorbeeld ontdekt dat astrocyten van muizen nabijgelegen neuronen ertoe kunnen aanzetten een ritmische slaaptoestand in te gaan door glutamaat te reguleren.

“Het is niet zozeer een individuele cel die zijn eigen ding doet, maar meer een onderdeel van een heel team van cellen dat samenwerkt”, zegt Poskanzer, nu bij de biotech-startup Arcadia Science.

Er is echter een verschil tussen het opruimen van glutamaat en het daadwerkelijk genereren van signalen. Volterra geloofde dat sommige astrocyten tot dit laatste in staat waren. Maar om dit te bewijzen had hij bewijs nodig dat astrocyten signalen kunnen verzenden en over de juiste hulpmiddelen beschikken om dit op relevante, betekenisvolle manieren te doen.

Een nieuwe klasse hersencellen

Volterra profiteerde van een nieuwe benadering bij het bestuderen van de hersenen: single-cell RNA-sequencing, waarbij een momentopname wordt gemaakt van de volledige reeks genen die actief zijn in individuele cellen in een weefsel. Door acht databases van hippocampuscellen van muizen te doorzoeken, identificeerde hij negen clusters van astrocyten, die zich onderscheiden door hun genactiviteit. Astrocyten in één – en slechts één – van de clusters transcribeerden eiwitten waarvan bekend is dat ze betrokken zijn bij de opslag, afgifte en transport van neurotransmitters met behulp van blaasjes, zoals gebeurt in neuronen. De cellen waren niet gelijkmatig verdeeld over het hersengebied, of zelfs over specifieke circuits.

Om te zien of mensen deze cellen hebben, doorzochten Volterra en zijn team drie databases van menselijke hippocampuscellen op dezelfde eiwitsignaturen die ze hadden gezien in de astrocyten van muizen. De handtekeningen verschenen in alle drie de datasets.

Die genetische gegevens waren echter nog steeds indirect bewijs. Volterra moest de signalering in actie laten zien. Hij en zijn team simuleerden een neuronaal signaal naar astrocyten in plakjes muizenhersenen en maakten beelden van de moleculen die door de astrocyten werden vrijgegeven. Sommige – maar niet alle – astrocyten reageerden met glutamaat. En toen de onderzoekers verhinderden dat astrocyten blaasjes gebruikten, konden de cellen geen glutamaat meer afgeven.

Voor Volterra was het bewijs duidelijk. “We hadden gelijk. Er zijn astrocyten die glutamaat afgeven”, zei hij. “Maar we hadden het ook mis, omdat we dachten dat alle astrocyten glutamaat afgeven.”

De bevindingen veranderen vrijwel zeker het huidige begrip van de manier waarop de hersenen communiceren, zegt Dmitri Rusakov, een professor in de neurowetenschappen aan het University College London, die niet bij het werk betrokken was. Maar op welke manier is een open vraag.

Weten dat astrocyten signalen kunnen geven, is slechts de eerste stap. Dat feit geeft geen antwoord op de vraag hoe synapsen reageren op astrocytisch glutamaat. Er staat niet welke functies astrocytensignalering vereisen in plaats van of naast neuronen. Het verklaart niet waarom sommige delen van de hersenen meer glutamatergische astrocyten hebben dan andere, of waarom een ​​subgroep deze functie gebruikt, terwijl de rest dat niet doet.

In plaats daarvan stelt het, net als alle nieuwe ontdekkingen, nieuwe vragen die de wetenschap moet beantwoorden.

'We hebben een aanzienlijke hoeveelheid bewijsmateriaal,' zei Rusakov. “Nu heb je een theorie nodig om alles samen te brengen.”

Quanta voert een reeks onderzoeken uit om ons publiek beter van dienst te zijn. Neem onze lezersenquête biologie en je doet mee om gratis te winnen Quanta handelswaar.