Astrozyten: Die heimlichen Stars des Gehirns

Astrozyten im Hippocampus einer Maus bilden Ausläufer auf ein Blutgefäß. Sie sind gleichzeitig blau und gelb gefärbt. Image Source / © Lennart Mueller-Thomsen

Autor: Dr. Jochen Müller

Sie sehen nicht nur aus wie Sterne – sie sind auch tatsächlich Stars: Astrozyten treten aus dem Schatten der Nervenzellen heraus. Galten sie lange als passive Stützzellen, ist heute bekannt, dass sie wichtig für fast alle Hirnfunktionen sind.

Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. Christine R. Rose

Veröffentlicht: 30.10.2014

Niveau: mittel

Das Wichtigste in Kürze

Astrozyten gehören zu den Gliazellen, also den nicht-elektrisch erregbaren Zellen des Nervensystems. Im Gehirn übernehmen sie verschiedene essentielle Funktionen, so wie Assistenten bei einem Schauspiel.
Astrozyten strukturieren neuronale Netzwerke und schirmen Neurone mit ihren Fortsätzen voneinander ab. Sie sind die Bühnenbauer, die die Kulisse erstellen. Und sie sind Regieassistenten, die dafür sorgen, dass die „Schauspieler“ dort sind, wo sie sein müssen und zur richtigen Zeit mit den richtigen Kollegen interagieren.
Astrozyten versorgen Neurone mit Metaboliten und entsorgen deren Abfallprodukte: Sie sind also sowohl für Vorratskammer und Catering-Service als auch für Sanitäranlagen und Abfallentsorgung zuständig.
Astrozyten halten das fein abgestimmte Gleichgewicht an Ionen und Transmittern aufrecht. Wie die Requisite sind sie dafür verantwortlich, dass die Akteure ihren Text, Kostüme und Requisiten parat haben und dass nicht benötigte Materialien aus dem Weg geräumt werden.
Astrozyten empfangen Signale der Neurone und signalisieren zurück zu ihnen, beeinflussen die synaptische Übertragung und können diese modifizieren. Sie sind die Souffleusen, die den Spielern auf der Bühne helfen.

Untergruppen von Astrozyten

Mehrere Untergruppen von Astrozyten sind heute bekannt. Dies sind einige der wichtigsten Vertreter:

Protoplasmische Astrozyten haben viele feine Fortsätze und sind weitgehend gleichmäßig in der grauen Substanz, also zwischen den Zellkörpern und dendritischen Ausläufern der Neurone, verteilt.
Fibröse Astrozyten senden ihre weniger verzweigten Ausläufer parallel zu den Fasertrakten der weißen Substanz, d. h. entlang der Axone, aus.
Im Kleinhirn sitzen Bergmann-Gliazellen in direkter Nachbarschaft zu den Purkinje-Neuronen in der Körnerzellschicht.
In der Netzhaut sind -neben „normalen“ Astrozyten-Gliazellen die astrozytenähnlichen Müller-Gliazellen anzufinden.

Schauspieler bekommen für ihre Leistungen auf der Bühne Applaus. Die Assistenten jedoch – von der Maske über die Souffleuse bis zur Reinigungskraft – werden oft übersehen. Obwohl sie nicht minder aktiv sind und das Stück ohne sie nicht hätte stattfinden können. Allein: Sie agieren meist still im Hintergrund, während die Schauspieler auf der Bühne auf sich aufmerksam machen.

Im Gehirn ist es ähnlich. Die elektrische Aktivität von Nervenzellen entdeckte Luigi Galvani bereits 1789. Ihre elektrisch weitgehend inaktiven Helfer jedoch beschrieb Rudolph Virchow erst 1856. Als passive Stützen: Er sah in ihnen eine Art „Nervenkitt“ und gab ihnen den griechischen Namen für Klebstoff, „Glia“. Zu diesen Gliazellen gehören auch die Astrozyten. Doch im Schauspiel-Haus sind sie die heimlichen Stars – und das nicht einmal, weil ihr Name sich von ihrem sternenförmigen Aussehen ableitet, sondern weil sie eine Vielzahl essentieller Funktionen erfüllen. In der Tat sind sie weder passiv noch stumm – und für die meisten Hirnfunktionen unverzichtbar. Trotzdem treten sie erst langsam aus dem Schatten der Nervenzellen heraus und bekommen endlich den verdienten Applaus.

Form bedingt Funktion

Der Name Astrozyt geht auf Michael von Lenhossek zurück, der ihn 1895 aufgrund der sternförmigen Gestalt der Zellen einführte (astro = Stern, zyt = Zelle). Inzwischen weiß man, dass es sogar eine Vielzahl unterschiedlicher Typen von Astrozyten und astrozytenähnlichen Zellen mit ganz unterschiedlichen Morphologien gibt (siehe Infobox). So finden sich in der Netzhaut des Auges die so genannten Müller-Gliazellen: langgestreckte, eher stabförmige Zellen, deren Aussehen nun so gar nicht an Sterne erinnert. Auch im Kleinhirn gibt es diese besonderen, langgesteckten Astrozyten, die hier allerdings Bergmann-Gliazellen heißen. Tatsächlich definieren Morphologie und die Beziehung zu Neuronen und Blutgefäßen das Erscheinungsbild von Astrozyten bis heute besser als molekulare Marker.

Doch auch wenn sie als schwer definierbare, heterogene Gruppe erscheinen: Allen Astrozyten gemein ist eine enge Verwandtschaft zu Nervenzellen, denn sie alle gehen auf gemeinsame Vorläuferzellen zurück. Wie eng diese Verwandtschaft tatsächlich ist, haben in den vergangenen Jahren die vielbeachteten Arbeiten von Magdalena Götz gezeigt: Sie konnte nachweisen, dass die direkten Vorläuferzellen von Astrozyten, die Radialgliazellen, bei der Entwicklung des Gehirns als Stammzellen und Vorläufer auch von Nervenzellen dienen. Gliazellen könnten also vielleicht eines Tages durch gezielte „Umprogrammierung“ dazu verwendet werden, untergegangene Neurone zu ersetzen.

Auch im erwachsenen Gehirn übernehmen Astrozyten unverzichtbare Aufgaben. So fungieren sie als Grenz– und Kontrollstelle zwischen Gehirn und Blutkreislauf, versorgen die Neurone mit Nährstoffen und entsorgen deren Abfallprodukte. Astrozyten können diese Aufgaben wahrnehmen, weil sie die Signale der Neurone verstehen. Doch sie sind nicht nur sehr gute Zuhörer, sondern antworten den Nervenzellen auch. Kurzum: Sie sind nicht die stummen Helfer, sondern aktive Mitarbeiter im Gehirn.

Grundversorgung

Eine der Hauptaufgaben von Astrozyten ist, ihre elektrisch aktiven Verwandten mit Energie zu versorgen – so wie das Catering die Schauspieler mit Speisen und Getränken. Dafür stellen sie Kontakt zu Blutgefäßen her, die sie mit ihren „Endfüßchen“ genannten verdickten Fortsätzen umhüllen und bilden so „tight junctions“. Da Neurone nicht in der Lage sind, Glukose in erforderlicher Menge direkt aus dem Blut zu beziehen, und auch nicht über eigene Energiespeicher verfügen, versorgen die Astrozyten sie mit der benötigten Energie. Dabei verstoffwechseln sie Glukose zunächst selbst zu Milchsäure (Laktat) und stellen sie dann den benachbarten Neuronen zur Verfügung. Steht nicht genug Blutzucker zur Verfügung, greifen sie hierfür sogar ihre eigenen Reserven an.

Doch die Astrozyten beschränken sich nicht auf das reine Catering. Sie sorgen auch für eine an den Bedarf angepasste, effiziente Steuerung der Zulieferung im Gehirn. Um die Versorgung stark arbeitender Neurone sicherzustellen, können Astrozyten die Gefäßweite und damit den lokalen Blutfluss regulieren. Nebenbei bemerkt führt dies zu den Bildern, die wir aus funktionellen Kernspintomografen (fMRT) kennen: Im fMRT wird die erhöhte Durchblutung und Sauerstoffversorgung von Hirnbereichen nach einer Aktivität sichtbar gemacht. Die daraus entstandenen Bilder stellen somit nicht, wie oft behauptet, direkt die Aktivität der Nervenzellen dar, sondern die Bilder sind nur ein indirekter Hinweis auf das, was geschieht.

Schrankenwärter und Souffleur

sind wichtiger Teil der Blut-Hirn-Schranke. Diese verhindert den unkontrollierten Übertritt von Fremdstoffen in das Hirngewebe und damit Infektionen und Entzündungen. Die Astrozyten selbst stellen zwar keine echte Barriere dar; sie steuern jedoch die Ausbildung von Tight-junctions an den Endothelzellen, welche die Blutgefäße auskleiden. Diese sorgen dafür, dass sich kein unerwünschter Eindringling zwischen den Zellen hindurchquetschen kann. Gelingt doch einmal einem Unhold der Durchbruch, sind Astrozyten zwar zu einem gewissen Teil an der Reaktion beteiligt, doch die Immunabwehr im Gehirn wird hauptsächlich von spezialisierten Zellen übernommen, der (Gesundheitswächter im Gehirn).

Auch auf anderer Ebene bilden Astrozyten Barrieren: In der Großhirnrinde höherer Primaten beteiligen sich Astrozyten mit besonders langgestreckten Fortsätzen am Aufbau von Palisaden – so wie Bühnenbauer eine leere Bühne in eine Landschaft mit unterschiedlichen Bereichen verwandeln. Über die Funktion dieser Palisaden ist bislang wenig bekannt. Man vermutet jedoch, dass sie als räumliche Begrenzungen die modulare Organisation des Cortex optimieren, also daran beteiligt sind, dass bestimmte Bereiche des Cortex einer bestimmten Hirnfunktion zugeordnet sind.

Diese Ordnung herzustellen – im Großen wie im Kleinen –, auch dafür sind die Astrozyten zuständig. Im Kleinen trennen sie einzelne Synapsen räumlich voneinander: In vielen Hirngebieten sitzen ihre feinen Ausläufer direkt am und um den synaptischen Spalt, so dass dieser zu einem funktionellen Raum wird. In der Kleinhirnrinde zum Beispiel verhindern die Ausläufer der Bergmann-Gliazellen, dass Transmitter aus dem Spalt in die Umgebung geraten und umgekehrt Transmitter von außen eindringen. So wird sichergestellt, dass Botenstoffe nur innerhalb einer Synapse wirken und diese nicht verlassen. Das gewährleistet eine hohe Präzision der Signale.

Es gibt aber auch neuronale Kontaktstellen, die nicht unter einer solch starken Kontrolle durch die Astrozyten stehen. Im Großhirn zum Beispiel sind viele Synapsen nur zum Teil mit Astrozytenausläufern bedeckt – und Transmitter können der einzelnen Synapse dadurch leichter entkommen. Erstaunlicherweise ist diese räumliche Beziehung jedoch nicht statisch: Die Ausläufer der Astrozyten sind wohl keine starren Gebilde, sondern unter bestimmten Bedingungen plastisch und beweglich. Damit können Astrozyten die synaptische Transmission einer einzelnen Synapse direkt und unmittelbar verändern: Ziehen sich die Fortsätze zurück, öffnet sich der Spalt zur Umgebung hin. So können Ionen und Transmitter ausfließen und auf die Membranen in der Umgebung wirken.

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Lebenswichtige Lautstärke-Regler

Damit ist die Rolle der Astrozyten in der neuronalen Kommunikation nicht zu Ende. Im Gegenteil. Denn auch beim Aktionspotenzial – dem elektrischen Ausgangssignal der Neurone – wirken sie regulierend, indem sie das von Neuronen in die Synapse abgegebene Kalium aufnehmen. Da die Astrozyten zudem durch Gap junctions untereinander verbunden sind, bilden sie einen mehrzelligen funktionalen Raum, in dem sie die aufgenommene Ladung schnell ausgleichen und verteilen können.

Ohne diese Kalium-Aufnahme durch die Astrozyten kann es zu starken Entladungen kommen, die denen bei epileptischer Aktivität ähneln. Forscher wie Professor Christian Steinhäuser an der Universität Bonn sehen daher in den Veränderungen, die sie an Astrozyten aus dem Gehirn von Patienten mit Epilepsien beobachtet haben, eine Mitursache für die Entstehung dieser Krankheitsbilder. Astrozyten sorgen also dafür, dass Neurone bei ihren Signalen nicht durcheinanderkommen, und bestimmen damit sozusagen die Lautstärke, in der sich Neurone miteinander unterhalten.

Auch zur Säuberung des synaptischen Spalts von „alten“ Transmitter-Molekülen besitzen Astrozyten eigene Transporter. Diese sorgen dafür, dass die Botenstoffe der Nervenzellen schnell aus dem Weg geräumt werden, nachdem sie ihre Arbeit getan haben. Auch das verhindert, dass Rezeptoren fortwährend aktiviert sind und die Nerven dadurch übererregt werden. Fällt diese Funktion aus, sammeln sich die Transmitter zwischen den Nervenzellen an. Und das kann im schlimmsten Fall – zuviel Glutamat – zum Untergang der Zelle durch Übererregung führen: ein Vorgang, der wesentlich für das Sterben von Nervenzellen nach einem Schlaganfall verantwortlich ist.

Der Kitt denkt mit

können, wie bereits erwähnt, keine senden, wie es tun. Ihre Sprache ist eine andere: Sie unterhalten sich vorwiegend über Ionen-Signale. Denn Astrozyten besitzen und sind sensibel für unterschiedliche Botenstoffe. Deren Aktivierung führt oft zu einem Anstieg der Kalzium-Konzentration innerhalb der Gliazelle, der sogar zu benachbarten Astrozyten weitergeleitet werden kann – sie können also „hören“, was Neurone „reden“. Und: antworten, denn auch Astrozyten sind in der Lage, Transmitter freizusetzen. Zusammengefasst: Sie können also nicht nur untereinander, sondern auch zurück zu den signalisieren, von denen sie das ursprünglich aktivierende Signal bekommen haben – ein Feedback-Mechanismus, der viel unter Forschern erregte.

Hier eine weitere Rolle: Astrozyten sind die Souffleusen, die durch ihr Flüstern für das Publikum nicht so leicht vernehmbar sind wie die Schauspieler, aber von diesen durchaus gehört und verstanden werden. Wie stark sich die Schauspieler dadurch tatsächlich beeinflussen lassen, ist heute noch umstritten: Während manche Wissenschaftler Astrozyten eine direkte und unmittelbare Rolle bei der Entstehung von Lern– und Gedächtnisinhalten auf zellulärer Ebene zuschreiben, sind andere etwas vorsichtiger. Sie sehen ihren Einfluss eher indirekt, durch die variable Separierung des synaptischen Spalts, die variable Aufnahme extrazellulären Kaliums sowie die ebenso variable Wiederaufnahme freigesetzter Transmitter.

Nicht zuletzt sind Astrozyten auch daran beteiligt, wie wir schlafen, denn Gliazellen können den tagesabhängigen Schlafrhythmus modulieren (Anatomie des Schlafes). Sie beeinflussen zudem das Schlafbedürfnis und wirken wie Messfühler, die das Wachsein protokollieren. Dies geschieht wahrscheinlich dadurch, dass sie Adenosintriphosphat (ATP) freisetzen, welches außerhalb der Zellen zu Adenosin umgewandelt wird. Dieses Adenosin wiederrum sammelt sich langsam an und aktiviert mehr und mehr Rezeptoren, die die Aktivität von Nervenzellen reduzieren. Wird die Freisetzung von ATP aus Gliazellen verhindert, führt dies zu einer Verringerung der Schlafintensität, der Schlafdauer und nicht zuletzt der Schlafkontinuität nach Schlafentzug.

Astrozyten sind an beinahe allen Funktionen des Zentralen Nervensystems (ZNS) beteiligt. Sie sind die heimlichen Stars des Nervensystems, die Helden im Hintergrund, die unermüdlich gestalten, ernähren, soufflieren und manchmal auch dirigieren. Der Applaus ist redlich verdient.

zum Weiterlesen:

Neuroglia, Oxford University Press 2012, Helmut Kettenmann und Bruce Ransom.

One comment

Stefan Pschera 20.01.2017

Die Astrozyten sind wichtig. Diese Aussage ist nicht neu. Immer wieder wird dies reißerisch erwähnt. Die Astroyten waren schon ca. 2004 gefördertes Schwerpunktthema der DFG. Die Ergebnisse/Thesen waren dürftig (Pampersthese, Airbagthese, Atmungsthese). Beim Konnektom und deren Milliardenförderung werden die Astryzyten (vorerst) nicht erwähnt. Schon bei der Menge gibt es unterschidliche Ergebnisse (50 % Neuronen, 50 % Glia oder 10% Neuronen und 90% Glia).

Fakt ist:

Ein Astrozyt ernährt mit seinen Zellfortsätzen mehrere Neuronen und ein Neuron wird durch mehrere Astrozyten versorgt. Ersteres schafft energetische Abhängigkeiten. Die Reserven im Astrozyt sind gering. Verbraucht ein Neuron viel, so haben die anderen versorgten Neuronen weniger. Grafik dazu: http://de.wikipedia.org/wiki/Blut-Hirn-Schranke#mediaviewer/File:Neuro-anatomy_01.png

Daraus ist logisch weit mehr ableitbar als die oben erwähnten Thesen.