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

Het brein is geen statische machine, maar een dynamisch landschap waar chemische boodschappers voortdurend het volume van de neurale activiteit afstemmen. Onder deze boodschappers behoren neuropeptiden, kleine eiwitachtige moleculen die fungeren als modulatoren die verfijnen hoe circuits reageren op stress, angst en leren. Eén zodanig molecuul, pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide, of PACAP, staat erom bekend een cruciale rol te spelen in hoe het brein angst verwerkt en zich aanpast aan stress. Bij mensen zijn variaties in de genen die PACAP en zijn receptoren aansturen gekoppend aan een hoger risico op het ontwikkelen van posttraumatische stressstoornis, met name bij vrouwen. Dit heeft het molecuul tot een onderwerp van intense belangstelling gemaakt voor het begrijpen van hoe het brein traumatische herinneringen codeert. Er is echter een groot raadsel gebleven: de receptor die het PACAP-signaal ontvangt, is aanwezig op bijna elk type cel in het brein, van de neuronen die elektrische signalen afvuren tot de ondersteunende cellen die de omgeving van het brein in stand houden. Als hetzelfde signaal door zoveel verschillende delen van het systeem wordt ontvangen, hoe produceert het brein dan specifieke, georganiseerde gedragingen in plaats van een chaotische bende van reacties?

Een team van onderzoekers aan de Medische Universiteit van Wenen zette zich in om dit mysterie op te lossen door naar de temporale associatiecortex te kijken, een regio van het brein die essentieel is voor het leren vrezen van specifieke geluiden. Ze wilden zien of de wijdverspreide aanwezigheid van de PACAP-receptor betekende dat elk celtype op dezelfde manier reageerde, of dat het brein over een verborgen mechanisme beschikte om ervoor te zorgen dat het signaal anders werd geïnterpreteerd afhankelijk van wie het ontving. Door geavanceerde beeldvormingstechnieken te combineren met genetische instrumenten in muizen, brachten ze exact in kaart welke cellen de receptor dragen en hoe die cellen zich gedragen wanneer het signaal arriveert. Hun werk onthult dat hoewel de receptor overal aanwezig is, de interne machinerie van de cellen dat niet is. Hetzelfde chemische bericht triggert volkomen verschillende reacties in verschillende celtypen, waardoor het brein een complexe angstrespons met precisie kan coördineren.

De onderzoekers begonnen met het bevestigen van hoe wijdverspreid de receptor voor PACAP precies is. Met behulp van een techniek die specifieke genetische instructies binnen cellen oplicht, vonden ze dat de receptor aanwezig is in de overgrote meerderheid van de inhibitoire (remmende) neuronen, die fungeren als de remmen van het brein, en in bijna alle astrocyten, de ondersteunende cellen die neuronen voeden en beschermen. Het is ook te vinden in de meeste excitatieve (prikkelende) neuronen, die de primaire drijvers zijn van hersenactiviteit. Dit bevestigde dat het potentieel voor PACAP om het brein te beïnvloeden inderdaad universeel is binnen deze regio. De onderzoekers vermoedden echter dat het hebben van de ontvanger niet betekent dat elke cel hetzelfde liedje hoort. Om dit te testen, maakten ze gebruik van acute hersensneden, waarbij ze PACAP direct op specifieke groepen cellen konden toepassen en konden observeren wat er binnen hen gebeurde met behulp van gevoelige fluorescente sensoren.

Wanneer ze PACAP toepasten op excitatieve neuronen, reageerden de cellen door hun niveaus van een molecuul genaamd cyclisch AMP te verhogen, een veelvoorkomende chemische boodschapper die helpt te reguleren hoe sterk neuronen vuren. De cellen vertoonden echter geen piek in calcium, een ander chemisch signaal dat vaak geassocieerd wordt met onmiddellijke cellulaire activiteit. In contrast hiermee, toen de onderzoekers naar astrocyten keken, was het verhaal anders. Deze ondersteunende cellen reageerden op PACAP door een robuuste afgifte van calcium uit hun interne voorraden te triggeren, een proces dat wordt gedreven door een ander signaleringspad. Opmerkelijk genoeg verhoogden de astrocyten ook hun cyclische AMP-niveaus, wat betekent dat ze twee verschillende signaleringsprogramma's gelijktijdig draaiden. Deze bevinding suggereert dat het brein dezelfde externe signaal gebruikt om verschillende interne gesprekken te triggeren, afhankelijk van het celtype, waardoor één enkel molecuul de activiteit van zowel de neuronen die informatie verwerken als de ondersteunende cellen die de omgeving in stand houden, kan coördineren.

De studie ging verder door specifieke typen inhibitoire neuronen te onderzoeken, bekend als somatostatine-positieve cellen, die erom bekend staan de input naar andere neuronen te controleren. Wanneer PACAP deze cellen bereikte, veroorzaakte het dat ze iets elektrisch actiever werden, waardoor ze eerder geneigd waren te vuren. Dit effect werd gedreven door een specieve keten van gebeurtenissen waarbij een eiwitkinase genaamd MEK en een type natriumkanaal betrokken waren, een mechanisme dat verschilt van de eenvoudige chemische veranderingen die in andere cellen worden gezien. Dit suggereert dat PACAP niet alleen passief naar deze cellen signaleert; het verandert actief hun fysieke staat om ze responsiever te maken. Door deze inhibitoire cellen actiever te maken, zou PACAP effectief de remmen op specifieke delen van het neurale circuit kunnen strakker trekken, waardoor de manier waarop angstherinneringen worden verwerkt, wordt gevormd.

Om te begrijpen hoe dit alles afloopt in een levend dier, bekeken de onderzoekers deze cellen in realtime terwijl muizen leerden een specifiek geluid te vrezen. Ze vonden dat de excitatieve neuronen in de temporale associatiecortex zeer actief werden wanneer de muizen het geluid hoorden dat een milde voetschok voorspelde. De sterkte van deze activiteit was nauw verbonden met hoeveel de muizen bevroren van angst, wat suggereert dat deze cellen de herinnering aan de dreiging coderen. Interessant genoeg reageerden de inhibitoire neuronen ook op het geluid, maar hun activiteitspatroon vertelde een ander verhaal. Hoewel ze actief waren, correleerde hun activiteit niet op dezelfde manier met het bevriezingsgedrag. In plaats daarvan leek hun activiteit de excitatieve cellen te tegenwerken, wat potentieel fungeert als een tegenwicht om te voorkomen dat de angstrespons te overweldigend wordt.

De onderzoekers testten vervolgens of ze de angstherinnering konden stoppen door deze specifieke cellen uit te schakelen. Ze gebruikten een genetische methode om de excitatieve neuronen die de PACAP-receptor bezaten tijdens de geheugentest te verzwijgen. Verrassend genoeg zorgde het uitzetten van deze cellen er niet voor dat de muizen stopten met bevriezen. Dit geeft aan dat hoewel deze cellen actief zijn tijdens het leren van angst en deel uitmaken van het geheugencircuit, ze niet de enige drijvers zijn van het bevriezingsgedrag. Het brein vertrouwt waarschijnlijk op een complex netwerk waarbij veel verschillende celtypen bijdragen aan de uiteindelijke uitkomst, en het verzwijgen van één groep is niet voldoende om de keten te verbreken. Dit benadrukt de veerkracht en redundantie van neurale circuits, waarbij meerdere paden tot hetzelfde gedragsresultaat kunnen leiden.

De studie onderzocht ook hoe deze cellen verbinding maken met andere delen van het brein. De excitatieve neuronen in de temporale associatiecortex sturen lange draden naar diverse regio's, waaronder de amygdala, die centraal staat bij angstverwerking, en het striatum, dat betrokken is bij actiekeuze. De onderzoekers vonden dat PACAP de snelheid waarmee deze verschillende groepen neuronen reageerden kon beïnvloeden, wat suggereert dat het chemische signaal helpt de activiteit van verre hersengebieden te synchroniseren. Echter, ondanks deze veranderingen in interne signalering en connectiviteit, veranderde de onmiddellijke afgifte van neurotransmitters bij de synapsen niet significant wanneer PACAP werd toegepast. Dit impliceert dat de primaire rol van PACAP in deze context is om de algehele prikkelbaarheid en de staat van de cellen af te stemmen, in plaats van direct de sterkte van de verbinding tussen twee specifieke neuronen op dat moment te veranderen.

Uiteindelijk schetst het artikel een beeld van een brein dat veel geavanceerder is dan een simpel schakelbord. De aanwezigheid van een receptor op een cel dicteert geen enkel, uniform resultaat. In plaats daarvan heeft het brein een systeem ontwikkeld waarbij hetzelfde chemische boodschapper verschillende interne paden kan activeren in verschillende celtypen. In excitatieve neuronen werkt PACAP via één set instrumenten; in inhibitoire neuronen gebruikt het een andere; en in astrocyten hanteert het een derde. Deze diversiteit stelt een enkel molecuul in staat om een complexe symfonie van activiteit te dirigeren, waardoor het brein kan leren van een dreiging, die herinnering kan opslaan en de passende angstrespons kan uiten zonder de controle te verliezen. De bevindingen suggereren dat om te begrijpen hoe het brein werkt, of hoe het fout gaat in condities zoals posttraumatische stressstoornis, wetenschappers verder moeten kijken dan de eenvoudige aanwezigheid van een receptor en de unieke interne machinerie van elk celtype moeten onderzoeken. Alleen door deze onderscheidende programma's te begrijpen, kunnen we beginnen met het vatten van hoe het brein een chemisch signaal omzet in een specifiek, betekenisvol gedrag.