Neuronal primary cilia are not required for hippocampal circuit function or behavior in adult mice
Durch genetische und verhaltensbiologische Studien an erwachsenen Mäusen zeigt diese Arbeit, dass die Deletion primärer Cilien aus hippokampalen Neuronen weder die neuronale Erregbarkeit noch die synaptische Plastizität oder hippokampusabhängige Verhaltensweisen beeinträchtigt, was der vorherrschenden Ansicht widerspricht, dass diese Strukturen essenzielle Signalzentren in reifen Gehirnkreisläufen sind.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
In fast jeder Zelle des menschlichen Körpers und im Gehirn von Mäusen existiert eine winzige, haarähnliche Projektion namens Primärzilie. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass diese Strukturen nutzlose Überbleibsel der Evolution seien, ähnlich dem Blinddarm im Darm. Jüngste Entdeckungen haben jedoch gezeigt, dass diese Cilien während der frühen Bildung eines Gehirns als entscheidende Kommandozentralen fungieren. Sie empfangen chemische Signale, die wachsenden Zellen mitteilen, wohin sie wandern sollen und was sie werden sollen. Wenn diese Strukturen während der Entwicklung eines Gehirns nicht korrekt ausgebildet werden, kann das Ergebnis schwerwiegend sein und zu Fehlbildungen sowie geistigen Behinderungen führen. Dies hat viele Forscher zu der Annahme geführt, dass diese winzigen Antennen auch im reifen Gehirn eine lebenswichtige Rolle spielen müssen, indem sie als essenzielle Knotenpunkte fungieren, die dafür sorgen, dass erwachsene Neuronen korrekt kommunizieren und sich richtig verhalten.
Die unbeantwortete Frage war, ob diese Strukturen noch notwendig sind, sobald das Gehirn vollständig ausgewachsen ist. Verlassen sich erwachsene Neuronen auf ihre Primärzilien, um elektrische Signale abzufeuern, Neues zu lernen oder die Vergangenheit zu erinnern? Um dies herauszufinden, entschied sich ein Team von Forschern am St. Jude Children's Research Hospital dazu, diese Strukturen aus den Gehirnen adulter Mäuse zu entfernen und zu beobachten, was geschieht. Sie konzentrierten sich auf den Hippocampus, eine seahorseförmige Region tief im Gehirn, die berühmt für ihre Rolle bei der Bildung von Erinnerungen und der räumlichen Orientierung ist. Durch den Einsatz präziser genetischer Werkzeuge konnten sie die Gene löschen, die für den Bau von Primärzilien erforderlich sind, jedoch nur in den reifen Neuronen adulter Mäuse, wodurch der Rest des Körpers und das sich entwickelnde Gehirn unberührt blieben.
Die Forscher verwendeten zwei verschiedene Methoden, um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse solide waren. Erstens züchteten sie Mäuse mit einem genetischen Schalter, der die Fähigkeit zur Bildung von Cilien in spezifischen Hirnregionen abschaltete, während die Tiere heranreiften. Dies ermöglichte es ihnen, Mäuse zu untersuchen, die ihr gesamtes Leben lang ohne diese Strukturen in ihren hippocampalen Neuronen gelebt hatten. Zweitens, um die Möglichkeit auszuschließen, dass sich das Gehirn im Laufe der Zeit einfach angepasst hatte, um die fehlenden Teile zu kompensieren, verwendeten sie einen Hochleistungslaser, um die Cilien von einzelnen Neuronen in adulten Mäusen chirurgisch zu entfernen, nur wenige Minuten vor dem Testen. Sie verwendeten auch ein Virus, um die Cilien in einer anderen Gruppe adulter Mäuse zu löschen. In jedem Fall war das Ziel dasselbe: zu sehen, ob das Gehirn ohne diese winzigen Antennen aufhören würde zu funktionieren.
Was sie fanden, war überraschend. Trotz der völligen Abwesenheit von Primärzilien in den reifen Neuronen funktionierte das Gehirn genau so, wie es sollte. Die elektrische Aktivität der Neuronen blieb normal. Die Zellen feuerten ihre Signale mit der gleichen Stärke und im gleichen Timing wie gesunde Zellen. Wenn die Forscher testeten, wie diese Neuronen miteinander kommunizierten, waren die Verbindungen genauso stark, und die Fähigkeit, diese Verbindungen im Laufe der Zeit zu stärken – ein Prozess, der für das Lernen essenziell ist – war völlig unbeeinträchtigt. Die Neuronen wurden nicht verwirrt, träge oder überaktiv. Sie verhielten sich so, als wären die Cilien nie da gewesen.
Die Forscher gingen dann vom Mikroskop in die reale Welt über, um zu sehen, ob die Mäuse noch lernen und sich erinnern können. Sie setzten die Mäuse einer Reihe von Tests aus, die darauf ausgelegt waren, Gedächtnis und Verhalten zu messen. In einem Test lernten die Mäuse, einen bestimmten Ton oder einen bestimmten Raum mit einem milden, harmlosen elektrischen Schlag zu assoziieren. In einem anderen mussten sie sich an den Ort einer versteckten Plattform in einem Becken mit Wasser erinnern. Sie testeten auch die Mäuse auf Angst, soziale Interaktion und motorische Fähigkeiten. In jedem einzelnen Fall schnitten die Mäuse ohne Cilien genauso gut ab wie die Mäuse mit Cilien. Sie lernten die Aufgaben schnell, erinnerten sich Tage später daran und zeigten keine Anzeichen von Angst oder sozialem Rückzug. Ihre Fähigkeit, mit der Welt zu navigieren und mit ihr zu interagieren, war nicht von der einer normalen Maus zu unterscheiden.
Diese Ergebnisse stellen eine lange bestehende Annahme in der Neurowissenschaft infrage. Während es klar ist, dass Primärzilien unverzichtbar für den Aufbau eines Gehirns sind, legt diese Studie nahe, dass sie nicht erforderlich sind, um es zu betreiben, sobald es fertiggestellt ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Strukturen im adulten Hippocampus nicht die primären Signalknotenpunkte sind, für die viele Wissenschaftler sie hielten. Das Gehirn scheint andere Wege zu haben, um die komplexe Chemie des Lernens und Erinnerns zu steuern, die nicht von diesen winzigen Projektionen abhängen. Dies bedeutet nicht, dass Cilien im adulten Gehirn nutzlos sind; sie mögen während Zeiten von Stress, Krankheit oder Alterung eine Rolle spielen. Unter normalen, gesunden Bedingungen kann das adulte Gehirn jedoch perfekt ohne sie funktionieren, was darauf hindeutet, dass sich die Regeln dafür, wie ein Gehirn funktioniert, von der Kindheit zum Erwachsenenalter signifikant ändern.
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