PACAP engages distinct signaling programs across cortical neuronal and non-neuronal cell types

Das Gehirn ist keine statische Maschine, sondern eine dynamische Landschaft, in der chemische Botenstoffe ständig die Lautstärke der neuronalen Aktivität regeln. Zu diesen Botenstoffen gehören Neuropeptide, kleine proteinähnliche Moleküle, die als Modulatoren wirken und feinabstimmen, wie Schaltkreise auf Stress, Angst und Lernen reagieren. Ein solches Molekül, das pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide oder PACAP, ist seit langem dafür bekannt, eine entscheidende Rolle dabei zu spielen, wie das Gehirn Angst verarbeitet und sich an Stress anpasst. Beim Menschen sind Variationen in den Genen, die PACAP und seine Rezeptoren kontrollieren, mit einem höheren Risiko für die Entwicklung einer posttraumatischen Belastungsstörung verbunden, insbesondere bei Frauen. Dies hat das Molekül zu einem Gegenstand intensiven Interesses gemacht, um zu verstehen, wie das Gehen das Gehirn traumatische Erinnerungen kodiert. Ein großes Rätsel blieb jedoch bestehen: Der Rezeptor, der das PACAP-Signal empfängt, findet sich in fast jeder Art von Zelle im Gehirn, von den Neuronen, die elektrische Signale feuern, bis hin zu den Stützzellen, die das Milieu des Gehirns aufrechterhalten. Wenn dasselbe Signal von so vielen verschiedenen Teilen des Systems empfangen wird, wie erzeugt das Gehen dann spezifische, organisierte Verhaltensweisen anstatt eines chaotischen Durcheinanders von Reaktionen?

Ein Team von Forschern der Medizinischen Universität Wien setzte sich zum Ziel, dieses Rätsel zu lösen, indem sie den temporalen Assoziationskortex untersuchten, eine Hirnregion, die essenziell für das Erlernen von Angst vor spezifischen Geräuschen ist. Sie wollten sehen, ob die weit verbreitete Präsenz des PACAP-Rezeptors bedeutete, dass jeder Zelltyp auf die gleiche Weise reagierte, oder ob das Gehirn einen verborgenen Mechanismus besaß, um sicherzustellen, dass das Signal je nach Empfänger unterschiedlich interpretiert wurde. Durch die Kombination fortschrittlicher Bildgebungstechniken mit genetischen Werkzeugen in Mäusen kartierten sie genau, welche Zellen den Rezeptor tragen und wie sich diese Zellen verhalten, wenn das Signal eintrifft. Ihre Arbeit zeigt, dass zwar der Rezeptor überall vorhanden ist, die interne Maschinerie der Zellen jedoch nicht. Dieselbe chemische Botschaft löst in verschiedenen Zelltypen völlig unterschiedliche Reaktionen aus, was es dem Gehirn ermöglicht, eine komplexe Angstreaktion mit Präzision zu koordinieren.

Die Forscher begannen damit, zu bestätigen, wie weit verbreitet der Rezeptor für PACAP tatsächlich ist. Mit einer Technik, die spezifische genetische Anweisungen innerhalb von Zellen aufleuchten lässt, fanden sie heraus, dass der Rezeptor in der überwiegenden Mehrheit der inhibitorischen Neuronen, die als Bremsen des Gehirns fungieren, und in fast allen Astrozyten, den Stützzellen, die Neuronen nähren und schützen, vorhanden ist. Er findet sich auch in den meisten der exzitatorischen Neuronen, die die primären Treiber der Gehirnaktivität sind. Dies bestätigte, dass das Potenzial für PACAP, das Gehirn zu beeinflussen, in dieser Region in der Tat universell ist. Die Forscher vermuteten jedoch, dass das Besitzen eines Empfängers nicht bedeutet, dass jede Zelle dasselbe Lied hört. Um dies zu testen, wandten sie sich an akute Hirnschnitte, bei denen sie PACAP direkt auf spezifische Zellgruppen anwenden und beobachten konnten, was im Inneren dieser Zellen geschieht, indem sie hochempfindliche fluoreszierende Sensoren verwendeten.

Als sie PACAP auf exzitatorische Neuronen anwendeten, reagierten die Zellen mit einer Erhöhung ihres Spiegels an einem Molekül namens zyklisches AMP, einem häufigen chemischen Botenstoff, der hilft zu regulieren, wie stark Neuronen feuern. Die Zellen zeigten jedoch keinen Anstieg von Kalzium, einem anderen chemischen Signal, das oft mit unmittelbarer zellulärer Aktivität assoziiert wird. Im Gegensatz dazu war die Geschichte anders, als die Forscher die Astrozyten betrachteten. Diese Stützzellen reagierten auf PACAP mit der Auslösung einer robusten Freisetzung von Kalzium aus ihren internen Speichern, ein Prozess, der durch einen anderen Signalweg angetrieben wird. Bemerkenswerterweise erhöhten die Astrozyten auch ihre zyklischen AMP-Spiegel, was bedeutet, dass sie zwei unterschiedliche Signalprogramme gleichzeitig ausführten. Dieser Befund deutet darauf sich hin, dass das Gehirn dasselbe externe Signal nutzt, um je nach Zelltyp unterschiedliche interne Gespräche anzustoßen, was es einem einzelnen Molekül ermöglicht, die Aktivität sowohl der Neuronen, die Informationen verarbeiten, als auch der Stützzellen, die das Milieu aufrechterhalten, zu koordinieren.

Die Studie ging weiter und untersuchte spezifische Typen von inhibitorischen Neuronen, bekannt als Somatostatin-positive Zellen, von denen bekannt ist, dass sie den Input zu anderen Neuronen kontrollieren. Wenn PACAP diese Zellen erreichte, verursachte es, dass sie elektrisch etwas aktiver wurden, was sie wahrscheinlicher machen ließ zu feuern. Dieser Effekt wurde durch eine spezifische Kette von Ereignissen getrieben, die ein Protein Kinase namens MEK und einen Natriumkanal involvierte, ein Mechanismus, der sich von den einfachen chemischen Veränderungen in anderen Zellen unterscheidet. Dies deutet darauf hin, dass PACAP diese Zellen nicht nur passiv signalisiert, sondern ihren physischen Zustand aktiv verändert, um sie reaktionsfähiger zu machen. Indem es diese inhibitorischen Zellen aktiver macht, könnte PACAP effektiv die Bremsen in bestimmten Teilen des neuronalen Schaltkreises festziehen und so die Art und Weise formen, wie Angstgedächtnisse verarbeitet werden.

Um zu verstehen, wie sich dies in einem lebenden Tier abspielt, beobachteten die Forscher diese Zellen in Echtzeit, während Mäuse lernten, Angst vor einem spezifischen Geräusch zu haben. Sie fanden heraus, dass die exzitatorischen Neuronen im temporalen Assoziationskortex hochaktiv wurden, wenn die Mäuse das Geräusch hörten, das einen leichten Fußschock vorhersagte. Die Stärke dieser Aktivität war eng mit dem Grad des Erstarrens der Mäuse vor Angst verknüpft, was darauf hindeutet, dass diese Zellen die Erinnerung an die Bedrohung kodieren. Interessanterweise reagierten auch die inhibitorischen Neuronen auf das Geräusch, aber ihr Aktivitätsmuster erzählte eine andere Geschichte. Obwohl sie aktiv waren, korrelierte ihr Aktivitätsmuster nicht auf die gleiche Weise mit dem Erstarrungsverhalten. Stattdessen schien ihre Aktivität der Aktivität der exzitatorischen Zellen entgegenzuwirken, was potenziell als Gegengewicht fungiert, um zu verhindern, dass die Angstreaktion zu überwältigend wird.

Die Forscher testeten dann, ob sie die Angstgedächtnis stoppen könnten, indem sie diese spezifischen Zellen ausschalteten. Sie nutzten eine genetische Methode, um die exzitatorischen Neuronen, die den PACAP-Rezeptor besaßen, während des Gedächtnistests stummzuschalten. Überraschenderweise verhinderte das Ausschalten dieser Zellen nicht das Erstarren der Mäuse. Dies deutet darauf hin, dass diese Zellen zwar während des Angstlernens aktiv sind und Teil des Gedächtnisschaltkreises sind, aber nicht die alleinigen Treiber des Erstarrungsverhaltens darstellen. Das Gehirn verlässt sich wahrscheinlich auf ein komplexes Netzwerk, in dem viele verschiedene Zelltypen zum Endergebnis beitragen, und das Stummschalten einer Gruppe reicht nicht aus, um die Kette zu unterbrechen. Dies unterstreicht die Resilienz und Redundanz neuronaler Schaltkreise, in denen mehrere Pfade zum gleichen Verhaltensresultat führen können.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Zellen mit anderen Teilen des Gehirns verbunden sind. Die exzitatorischen Neuronen im temporalen Assoziationskortex senden lange Leitungen zu verschiedenen Regionen, einschließlich der Amygdala, die zentral für die Angstverarbeitung ist, und des Striatums, das an der Aktionsselektion beteiligt ist. Die Forscher fanden heraus, dass PACAP die Geschwindigkeit beeinflussen konnte, mit der diese verschiedenen Gruppen von Neuronen reagierten, was darauf hindeutet, dass das chemische Signal hilft, die Aktivität entfernter Hirnregionen zu synchronisieren. Trotz dieser Änderungen in der internen Signalübertragung und Konnektivität änderte sich die unmittelbare Freisetzung von Neurotransmittern an den Synapsen bei Anwendung von PACAP jedoch nicht signifikant. Dies impliziert, dass die primäre Rolle von PACAP in diesem Kontext darin besteht, die allgemeine Erregbarkeit und den Zustand der Zellen abzustimmen, anstatt direkt die Stärke der Verbindung zwischen zwei spezifischen Neuronen im Moment zu verändern.

Letztendlich zeichnet die Arbeit das Bild eines Gehirns, das weit mehr ist als ein einfacher Schaltplan. Die Anwesenheit eines Rezeptors auf einer Zelle diktiert kein einzelnes, einheitliches Ergebnis. Stattdessen hat das Gehirn ein System entwickelt, in dem derselbe chemische Botenstoff unterschiedliche interne Pfade in verschiedenen Zelltypen aktivieren kann. In exzitatorischen Neuronen wirkt PACAP durch ein anderes Set an Werkzeugen; in inhibitorischen Neuronen nutzt es ein anderes; und in Astrozyten verwendet es ein drittes. Diese Diversität ermöglicht es einem einzelnen Molekül, eine komplexe Symphonie der Aktivität zu orchestrieren, um sicherzustellen, dass das Gehirn aus einer Bedrohung lernen, diese Erinnerung speichern und die angemessene Angstreaktion ausdrücken kann, ohne die Kontrolle zu verlieren. Die Ergebnisse legen nahe, dass Wissenschaftler, um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert oder wie es bei Zuständen wie der posttraumatischen Belastungsstörung fehlfunktioniert, über die bloße Anwesenheit eines Rezeptors hinausblicken und das einzigartige interne Gefüge jeder Zellart untersuchen müssen. Nur durch das Verständnis dieser unterschiedlichen Programme können wir beginnen zu begreifen, wie das Gehirn ein chemisches Signal in ein spezifisches, bedeutungsvolles Verhalten verwandelt.