Meer dan neuronen alleen

Alsof het menselijk brein nog niet complex genoeg was met zijn 100 miljard neuronen, zijn er ook zo’n biljoen (10¹²) gliacellen. Deze cellen hebben verschillende functies, het zijn multitaskers. Ze hebben een belangrijke rol tijdens de ontwikkeling van het brein, gedurende het proces van “pruning” ofwel het snoeien van synapsen, maar ze zijn naast mogelijke andere functies ook belangrijk als passieve structuur waar de neuronen houvast aan vinden.

De uiteinden van neuronen of dendrieten, eenmaal geactiveerd door een elektrisch of chemisch signaal, brengen dit signaal van een uiteinde van de cel naar het cellichaam via een elektrisch potentiaal dat zich langs het membraan van het dendriet voortbeweegt. Vanuit het cellichaam wordt deze stimulus doorgegeven aan de axon van de cel die ook vele uitlopers heeft. De uitlopers vormen op hun beurt synapsen met andere neuronen waarmee het signaal wordt geamplificeerd. Op niveau van de synapsen wordt het elektrisch signaal omgezet in een chemisch signaal namelijk met neurotransmitters. Het volgende filmpje laat zien hoe neuronen eruit zien en hoe ze werken.

Men weet al langer dat de glia verschillende functies heeft. Dit type cellen kan bijvoorbeeld de myeline vormen die zich rond de axonen van de neuronen windt en deze isoleert zodat het elektrisch signaal zich met sprongen verplaatst waarmee de snelheid verhoogd wordt. De radiale glia dient als structuur voor de neuronen zodat ze daar langs kunnen klimmen. De microglia vormt het immuunsysteem van het brein.

Immunofluorescentie van cellen van de hippocampus van de rat. Neuronen (groen) en Astrocyten (rood). Het DNA in de celkernen is blauw. (Image: IN Cell Image Competition)

Zodra de neuronen hun plaats tussen de cellen van de radiale glia hebben gevonden, veranderen deze laatste in astrocyten. Dit zijn de cellen die in het grootste aantal voorkomen in het brein. Het zijn zeer mysterieuze cellen. Een enkele uitloper kan zich om meer dan een miljoen synapsen winden. Ze maken ook kanalen waardoor moleculen op en neer kunnen reizen tussen de cellen. Ze hebben zelfs receptoren waarmee ze neurotransmitters kunnen binden. Dit betekent dat ze ‘meeluisteren’ met de gesprekken tussen de neuronen.
Pas in 1990 was men in staat te ontdekken wat astrocyten met deze kwaliteiten konden doen. Het bleek dat ze in antwoord op neurotransmitters geen elektrisch signaal doorgeven zoals de neuronen, maar een golf aan calcium-ionen. Dit calcium ligt normaal opgeslagen in structuren binnen de cel. Deze pakketjes gaan open daar waar de receptoren geactiveerd worden door de neurotransmitter. Vervolgens stimuleert het vrije calcium zelf het opengaan van nog meer pakketjes. Na zo’n golf worden de ionen opnieuw opgeslagen in de pakketjes tot het volgende signaal. Deze golven verplaatsen zich niet alleen binnen een astrocyt, maar kunnen ook doorgegeven worden aan andere astrocyten. De astrocyten zelf kunnen ook neurotransmitters vrijgeven. Daarmee kunnen ze neuronen min of meer gevoelig maken voor een stimulus.

De astrocyten hebben met hun calciumgolven, net als de neuronen, de mogelijkheid informatie te verwerken. Dat zou een enorme rekenkracht toevoegen aan het brein. Het zijn tenslotte de meest voorkomende cellen in het brein. Wellicht hebben ze met hun calcium golven een eigen soort rekenkracht naast die van de neuronen. Nimmerjahn, verbonden aan Stanford University, monteerde microscopen op de schedels van muizen. Met moleculen die oplichten zodra ze calcium binden konden ze oplichtende astrocyten observeren zodra de muis bewoog.

In het volgende filmpje van het MIT zijn astrocyten (wit) te zien die net na de neuronen (groen) oplichten als antwoord op een visuele stimulus.

vZUu8j

Astrocyten zijn ook van levensbelang voor synapsen. Neuronen die gekweekt worden samen met astrocyten vormen 10 keer zoveel synapsen en de activiteit daar was 100 keer zo groot. Onze synapsen veranderen naarmate we leren. Zou er daar ook een rol liggen voor astrocyten ? Experimenten met knock out muizen, (muizen waarvan een gen uitgeschakeld is), wijzen uit dat deze muizen een normaal leven leiden wanneer een belangrijk eiwit voor het openen van de calciumpakketjes ontbreekt.

De meest voorkomende cellen in ons brein blijven zo een mysterie. Deze astrocyten vormen de donkere materie van ons brein.

Uit: Brain Cuttings van Carl Zimmer (2010)