Der Mechanismus des Sauerstoffmangels im Gehirn behindert die Gedächtnisbildung

Zusammenfassung: Sauerstoffmangel im Gehirn löst eine Rückkopplungsschleife zwischen Glutamat und Stickoxid aus, die zu einer durch Hypoxie induzierten Langzeitpotenzierung (aLTP) führt. Dieser Prozess stört die normalen Mechanismen der Gedächtniskonsolidierung, was möglicherweise den Gedächtnisverlust nach einem Schlaganfall erklärt. Die Studie liefert Erkenntnisse zur Behandlung von Gedächtnisproblemen bei Schlaganfallpatienten.

Wichtige Fakten:

1. aLTP tritt bei vorübergehendem Sauerstoffmangel im Gehirn auf, der das Gedächtnis beeinträchtigt.
2. Glutamat und Stickstoffmonoxid bilden eine Rückkopplungsschleife, die aLTP unterstützt.
3. Die Unterbrechung dieser Schleife kann dazu beitragen, die normale Gedächtnisfunktion nach Schlaganfällen wiederherzustellen.

Quelle: oist

Wenn wir etwas Neues lernen, kommunizieren unsere Gehirnzellen (Neuronen) über elektrische und chemische Signale miteinander. Wenn dieselbe Gruppe von Neuronen häufig miteinander kommuniziert, werden die Verbindungen zwischen ihnen stärker. Dieser Prozess hilft unserem Gehirn, Dinge zu lernen und sich daran zu erinnern und wird als Langzeitpotenzierung oder LTP bezeichnet.

Eine andere Art von LTP tritt auf, wenn dem Gehirn vorübergehend Sauerstoff entzogen wird – Hypoxie-induzierte Langzeitpotenzierung oder aLTP. aLTP hemmt den ersteren Prozess und beeinträchtigt das Lernen und das Gedächtnis. Daher glauben einige Wissenschaftler, dass aLTP eine Rolle bei Gedächtnisproblemen spielen könnte, die bei Erkrankungen wie Schlaganfall auftreten.

Forscher des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) und ihre Mitarbeiter haben den aLTP-Prozess im Detail untersucht. Sie fanden heraus, dass die Aufrechterhaltung von ALTP die Aminosäure Glutamat erfordert, die die Produktion von Stickoxid (NO) sowohl in Neuronen als auch in Blutgefäßen im Gehirn stimuliert. Dieser Prozess bildet eine positive Glutamat-Nicht-Glutamat-Rückkopplungsschleife.

Ihre Studie wurde veröffentlicht in iScienceDies deutet darauf hin, dass das anhaltende Vorhandensein von aLTP die Konsolidierungsprozesse des Gehirngedächtnisses behindern und den bei einigen Patienten nach einem Schlaganfall beobachteten Gedächtnisverlust erklären kann.

Reaktion des Gehirns auf niedrigen Sauerstoffgehalt

Bei Sauerstoffmangel im Gehirn wird Glutamat, ein Neurotransmitter, in großen Mengen aus Neuronen freigesetzt. Erhöhtes Glutamat führt zur Produktion von NO. NO, das in Neuronen und Blutgefäßen im Gehirn produziert wird, verstärkt die Freisetzung von Glutamat aus Neuronen während der aLTP. Dieser Glutamat-kein-Glutamat-Zyklus bleibt auch dann bestehen, wenn das Gehirn ausreichend Sauerstoff erhalten hat.

„Wir wollten wissen, wie sich Sauerstoffmangel auf das Gehirn auswirkt und wie diese Veränderungen auftreten“, sagte Dr. Han-Ying Wang, Forscher in der ehemaligen Abteilung für zelluläre und molekulare synaptische Funktionen am OIST und Hauptautor der Studie.

„Es ist bekannt, dass Stickstoffmonoxid an der Freisetzung von Glutamat im Gehirn bei Sauerstoffmangel beteiligt ist, der Mechanismus ist jedoch nicht klar.“

Bei einem Schlaganfall, wenn dem Gehirn Sauerstoff fehlt, kann Amnesie – der Verlust aktueller Erinnerungen – ein Symptom sein. Aufgrund des potenziellen medizinischen Nutzens ist es wichtig, die Auswirkungen von Hypoxie auf das Gehirn zu untersuchen.

„Wenn wir herausfinden können, was in diesen Neuronen passiert, wenn sie keinen Sauerstoff haben, könnte das Hinweise darauf geben, wie Patienten mit Sauerstoff behandelt werden können“, sagt Dr. Patrick Stoney, Wissenschaftler in der Sensory and Behavioral Neuroscience Unit am OIST und ehemaliger Mitglied der Abteilung für sensorische und verhaltensbezogene Neurowissenschaften am OIST. Er erklärte die Einheit der zellulären und molekularen synaptischen Funktion.

Gehirngewebe von Mäusen wurde in eine Salzlösung gegeben, um die natürliche Umgebung eines lebenden Gehirns zu simulieren. Normalerweise wird diese Lösung mit Sauerstoff angereichert, um den hohen Sauerstoffbedarf des Gehirngewebes zu decken. Der Ersatz von Sauerstoff durch Stickstoff ermöglichte es den Forschern jedoch, den Zellen für bestimmte Zeiträume Sauerstoff zu entziehen.

Anschließend wurde das Gewebe unter dem Mikroskop untersucht und mit Elektroden versehen, um die elektrische Aktivität einzelner Zellen aufzuzeichnen. Die Zellen wurden auf eine Weise stimuliert, die der Stimulation bei lebenden Mäusen nachahmte.

Unterbrechung der Gedächtnis- und Lernaktivität

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Aufrechterhaltung von ALTP keine Produktion sowohl in Nervenzellen als auch in Blutgefäßen im Gehirn erfordert. Kollaborierende Wissenschaftler der Optical Neuroimaging Unit des OIST haben gezeigt, dass aLTP neben Neuronen und Blutgefäßen auch die Aktivität von Astrozyten erfordert, einer anderen Art von Gehirnzellen. Astrozyten leiten und unterstützen die Kommunikation zwischen Neuronen und Blutgefäßen.

„Die langfristige Aufrechterhaltung von aLTP erfordert eine kontinuierliche Stickoxidsynthese. Die NO-Synthese ist selbsterhaltend und wird durch den NO-Glutamat-Kreislauf unterstützt. Die Blockierung der molekularen Schritte der NO-Synthese oder derjenigen, die zur Glutamatfreisetzung führen, stört jedoch letztendlich den Kreislauf und stoppt aLTP „, erklärte Professor Tomoyuki Takahashi, ehemaliger Zell- und Molekulargruppenleiter, das Synaptic Function Module am OIST

Bemerkenswert ist, dass die zellulären Prozesse, die aLTP unterstützen, von denen geteilt werden, die an der Gedächtnis- und Lernkonsolidierung (LTP) beteiligt sind. Wenn aLTP vorhanden ist, übernimmt es die für LTP erforderlichen molekularen Aktivitäten, und die Entfernung von aLTP kann diese speicherkonsolidierenden Mechanismen retten.

Dies deutet darauf hin, dass aLTP über einen längeren Zeitraum die Gedächtnisbildung behindern könnte, was erklären könnte, warum manche Patienten nach einem kurzen Schlaganfall ihr Gedächtnis verlieren.

Professor Takahashi betonte, dass die Bildung einer positiven Rückkopplungsschleife, die sich zwischen Glutamat und NO bildet, wenn dem Gehirn vorübergehend Sauerstoff entzogen wird, eine wichtige Erkenntnis ist. Es erklärt die Persistenz von aLTP und bietet möglicherweise eine Lösung für den durch Hypoxie verursachten Gedächtnisverlust.

Über diese Neuigkeiten im Zusammenhang mit Gedächtnis- und Neurowissenschaftsforschung

Autor: Tomomi Okubo
Quelle: oist
Kommunikation: Tomomi Okubo – OIST
Bild: Bildquelle: Neuroscience News

Ursprüngliche Suche: Offener Zugang.
„Hypoxie-induziertes Hippocampus-LTP wird regenerativ durch Glutamat und Stickstoffmonoxid aus Axonen des Glia-Endothels produziert.„Von Hanying Wang et al. iScience

eine Zusammenfassung

Hypoxie-induziertes Hippocampus-LTP wird regenerativ durch Glutamat und Stickstoffmonoxid aus Axonen des Glia-Endothels produziert.

Höhepunkte

• Erhöhtes Glutamat aufgrund von Hypoxie fördert die Glutamatfreisetzung durch Nichtsynthese
• Die Aktivierung des NMDA-Rezeptors führt dazu, dass Neuronen und Gefäßendothel nicht feuern
• Glutamat aktiviert Endothelzellen · Die Ca-Synthese erfolgt nicht über Astrozyten²⁺ Und D-Serin
• Die durch Hypoxie induzierte anhaltende Glutamatfreisetzung blockiert das durch Gedächtnisreize induzierte LTP

Zusammenfassung

Vorübergehende Hypoxie führt zu Gedächtnisverlust und zum Absterben von Nervenzellen. Dies wurde auf eine erhöhte Glutamatfreisetzung zurückgeführt und als Hypoxie-induzierte Langzeitpotenzierung (aLTP) modelliert. aLTP wird durch Glutamat- und Stickoxid (NO)-Rezeptoren vermittelt und blockiert reizinduziertes LTP.

Wir haben eine Signalkaskade stromabwärts von NO identifiziert, die zur Glutamatfreisetzung führt, und eine Glutamat-NO-Schleife, die aLTP regenerativ fördert. aLTP in Endothelzellen NO-Synthase (eNOS)-Knockout-Mäusen und die Blockierung der neuronalen NOS (nNOS)-Aktivität legen nahe, dass sowohl nNOS als auch eNOS zu aLTP beitragen.

Das Ergebnis der Immunfärbung zeigte, dass eNOS hauptsächlich im Gefäßendothel exprimiert wird. Vorübergehende Hypoxie, verursacht durch das Vorhandensein von langfristigem Ca²⁺ Der Anstieg der Astrozyten spiegelt aLTP wider.

Durch die Blockierung des Astrozytenstoffwechsels oder die Erschöpfung des NMDA-Rezeptorliganden wurde das eNOS-abhängige aLTP abgeschafft, was darauf hindeutet, dass Astrozyten-Ca²⁺ Die Erhöhung stimuliert die Freisetzung von D-Serin aus der Fußinnenseite zum Endothel und setzt so das von eNOS synthetisierte NO frei. Somit ist das axoendotheliale Gliaaxon an der Verbesserung der langfristigen Glutamatfreisetzung nach vorübergehender Hypoxie beteiligt.