Gliazellen: Unterschätzter Klebstoff

Author: Susanne Donner

Noch immer gelten die Neuronen als elementarer Baustoff des Gehirns. Doch sie bekommen zusehends Konkurrenz. Auch Gliazellen sind essenziell für das Denken, Handeln und Fühlen. Wenn sie nicht richtig arbeiten, werden wir krank.

Scientific support: Prof. Dr. Oliver von Bohlen und Halbach

Published: 10.04.2012

Difficulty: easy

Das Wichtigste in Kürze

Lange Zeit galten Gliazellen einfach als Kitt, der die Nervenzellen im Gehirn an Ort und Stelle hält. Erst vor rund 20 Jahren änderte sich das.
Forschern war aufgefallen, dass diese zwar keine elektrischen Impulse aussenden, aber Neurotransmitter aussenden und empfangen.
Heute geht man davon aus, dass die Gliazellen die Botschaften der Neurone abhören und modifizieren.
Geht diese Mittlerfunktion der Gliazellen verloren, äußert sich das in schwerwiegenden Erkrankungen, etwa einer Epilepsie.
Es gibt verschiedene Typen von Gliazellen: Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikroglia.

Gliazell-Typen

Die Gliazellen untergliedern sich in drei Typen. Bei 80 Prozent der Glia im Gehirn handelt es sich um Astrozyten. Das sind sternförmige Zellen, die mit ihren feinen Fortsätzen die Kontaktstellen der Nervenzellen, die Synapsen, umhüllen. Daneben gibt es Oligodendrozyten. Sie bilden Myelin, eine weiße, komplex zusammengesetzte Substanz aus Fett- und Eiweißmolekülen, die nahezu alle Nervenfortsätze umhüllt wie der Kunststoffmantel ein Kabel. Diese Isolierung befähigt zur rasanten Erregungsleitung in den neuronalen Fortsätzen. Mit bis zu 200 Metern pro Sekunde flitzen die elektrischen Potenziale durch die schnellsten Nervenfasern. Myelinisierte neuronale Verbindungen übertragen die Nachricht hundertmal so schnell wie nackte Fasern.

Als dritter Gliazelltypus kommen so genannte Mikrogliazellen diffus über das Gehirn verteilt vor. Für die Mikroglia schlägt die große Stunde, wenn das Gehirn erkrankt. Sie ist das Verteidigungssystem der Denkzentrale und schützt das sensible, weil kaum regenerationsfähige Organ vor Krankheitserregern, Zellgiften und Verletzungen.

„Ich hatte ein Problem“, wird Helmut Kettenmann später sagen. Die Ergebnisse seiner Doktorarbeit am Institut für Neurobiologie der Universität Heidelberg widersprechen in den siebziger Jahren den Lehrbüchern. Liegt er falsch? Oder irren all die Autoren? Kettenmann hadert mit sich. In Rückenmarksproben hatte er Zellen entdeckt, die elektrisch stumm sind, aber auf neuronale Botenstoffe reagieren. Damals ist das ein Widerspruch in sich. Solche Zellen kennt man nicht.

Doch wenig später stellt sich heraus: Kettenmann hat sich nicht vertan. Seine mysteriösen Zellen sind Gliazellen. Nur verhalten sie sich ganz anders als bis dahin gedacht. Der berühmte Arzt Rudolf Virchow (1821 – 1902) entdeckte die Gliazellen schon 1856, hielt sie aber für eine Art passives Bindegewebe im Gehirn und taufte sie dementsprechend „Glia“, griechisch für „Leim“. Dass die Hälfte des Geistes von dieser vermeintlich unwichtigen Spachtelmasse eingenommen wird, mit etwa 86 Milliarden Zellen an der Zahl, machte den Gelehrten offenbar nicht stutzig.

Eine Fehleinschätzung mit Folgen. Fortan stürzten sich Hirnforscher auf die Nervenzellen. Die Gliazellen ließen sie links liegen, bis Forscher wie Helmut Kettenmann, heute einer der bekanntesten Gliazell-Experten und Forscher am Max-Delbrück-Centrum für molekulare Medizin in Berlin, die überkommene Lehrmeinung korrigierten.

Dieses Bild zeigt Astrozyten der weißen Substanz der menschlichen Großhirnrinde. Es stammt von Santiago Ramon y Cajal, 1913. © Luciana Christante

Dieses Bild zeigt der weißen Substanz der menschlichen Großhirnrinde. Es stammt von Santiago Ramon y Cajal, 1913. © Luciana Christante

Die Glia redet mit

Die Glia besteht im Gehirn zu 80 Prozent aus Astrozyten, sternförmigen Zellen mit langen Ausläufern. Daneben gibt es zwei weitere Gliazelltypen: die Mikroglia und die Oligodendrozyten. Doch die Astrozyten als wichtigste Vertreter machten als erstes von sich reden. Da man sie einst für passives Gewebe hielt, staunten die Forscher vor rund 20 Jahren sehr, als diese Zellen auf zentrale Botenstoffe der Nervenzellen reagierten: auf Glutamat, den wichtigsten Neurotransmitter im Gehirn, und auf das Signalmolekül Adenosintriphosphat. Sobald diese Substanzen auf einen Astrozyten einwirken, strömen Kalziumionen in sein Zellinneres.

Dieser Kalzium-Strom schwappt gleichsam einer La-Ola-Welle auf benachbarte Astrozyten über. Binnen zehn bis zwölf Sekunden erfasst das Phänomen das umliegende Gliafeld. Doch dabei bleibt es nicht. Die Kalziumionen-Schwemme setzt in den Astrozyten Botenstoffe frei, die man bisher nur aus Nervenzellen kannte, beispielsweise Glutamat, Adenosintriphosphat und Prostaglandin. In Analogie zu den Neurotransmittern, den Botenstoffen der Nervenzellen, werden sie Gliotransmitter genannt – die Botenstoffe der Gliazellen.

Diese Funde an Hirnschnitten und im Gehirn von Tieren lösten eine „Revolution der Rolle der Astrozyten“ aus, so Kettenmann. Die Gliazellen konnten nicht mehr als passiver Leim abgestempelt werden. Denn offensichtlich verstehen und sprechen sie die Sprache der Nervenzellen. Sie fangen deren Botenstoffe ab und schütten ebensolche aus. „Die Gliazellen sind aktive Partner der Neuronen. Die Hirnaktivität ist stets eine konzertierte Aktion von Glia– und Nervenzellen“, erklärt Kettenmann. Heute weiß er mit dieser Interpretation die Mehrheit der Hirnforscher hinter sich.

Stille Post im Kopf

Aber 1999 war es eine Provokation, als Neuroglia-Experte Alfonso Araque vom Cajal Institut in Madrid ein neues Konzept der Zell-zu-Zell-Kommunikation im Kopf vorstellte: die dreiteilige Synapse (tripartitate synapse). Demnach tauschen sich zwei Nervenzellen nicht einfach bilateral miteinander über eine Kontaktstelle, die Synapse, aus. Umliegende Astrozyten horchen mit und manipulieren die neuronale Botschaft, behauptete Araque.

Nach und nach stützten immer mehr Experimente Araques Konzept. Psychiater Michael Halassa vom Massachusetts General Hospital in Boston entdeckte 2007 beispielsweise, dass jeder Astrozyt mit seinen Fortsätzen ein bestimmtes Hirnareal mit rund 140.000 Synapsen abtastet. Dabei überlappen die Territorien der Astrozyten sich kaum. Die Gliazellen sitzen außerdem zwischen den Neuronen in nur 20 Nanometern Abstand, also nicht einmal eine Haaresbreite entfernt. Da sie ihre „Ohren“, genauer gesagt: Rezeptoren, so nah an den Nervenzellen haben, ist es wahrscheinlich, dass sie diese abhören und in das Neuronengeflüster hineinreden.

An den Synapsen könnte es nach gegenwärtigem Kenntnisstand zugehen wie beim Kinderspiel „Stille Post“: Die Astrozyten schnappen die Botschaft eines Neurons auf und sagen diese untereinander über die kalziumbasierte La-Ola-Welle weiter. Dann verraten alle eingeweihten Astrozyten, was sie gehört haben, indem sie ihre Botschaft mittels chemischer Botenstoffe ungerichtet in den Raum rufen, ähnlich einem Handy, das in den Raum funkt. Dieser Chor der Astrozyten beeinflusst die Nachricht, die die beiden Neuronen einander übermitteln. Diese wird zielgerichtet über die Nervenfortsätze und die Synapsen, analog zu einem Festnetztelefon, übertragen.

Dieses Präparat stammt von Santiago Ramon y Cajal und zeigt Mikroglia in der menschlichen Großhirnrinde. © Luciana Christante

Dieses Präparat stammt von Santiago Ramon y Cajal und zeigt in der menschlichen Großhirnrinde. © Luciana Christante

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Alles ein Artefakt?

Die Fachbuchverlage hatten die dreiteilige Synpase schon in ihre Bücher aufgenommen, als der Pharmakologe Ken McCarthy von der Universität Utah im Jahr 2010 die Diskusion wieder neu entfachte. Er hatte transgene Mäuse gezüchtet, in denen die Astrozyten einen speziellen Rezeptor tragen, den G-proteingekoppelten Rezeptor. Dieser kommt gewöhnlich nicht im Gehirn vor. Aber über den künstlichen Rezeptor konnte McCarthy die Astrozyten erstmals gezielt ansprechen. Das war bis dahin unmöglich gewesen: Da die natürlichen glialen Rezeptoren auch auf Neuronen sitzen, wurden in bisherigen Untersuchungen zur Rolle der Astrozyten unweigerlich auch die Neuronen mit beeinflusst. Nicht so in McCarthys Mäusen.

Doch als der Forscher gezielt die Kalziumionen-Konzentration in den Astrozyten der Tiere nach oben trieb, regte sich entgegen der Erwartung nichts. Keine Botenstoffe, wie Araque und Kettenmann und all die anderen es proklamiert hatten. McCarthy bestreitet seither vehement, dass Astrozyten über Kalziumionen in den neuronalen Datenstrom eingreifen. Die „tripartite“ Synpase ist für ihn ein Produkt eifrig nachgemachter Forschungsfehler. Man habe bisher irrtümlich Artefakte anderer Zellen den Astrozyten zugeschustert und in den Hirnschnitten wie auch in den Zellkulturexperimenten mit unnatürlich starken Stimuli gearbeitet, glaubt er.

Trotzdem hält die Mehrheit der Forscher an der „tripartiten“ Synapse fest, so auch Neurowissenschaftler Christian Steinhäuser von der Universität Bonn: „Ich würde mich nicht der Gruppe der Astrozyten-kritischen Wissenschaftler zugehörig fühlen“, sagt er. An McCarthys Arbeiten bemängelt er, dass unklar ist, wie der künstliche Rezeptor die Zellen verändert. Trotzdem nimmt Steinhäuser die Kritik am Modell der „tripartiten“ Synapse ernst: „Die spannendsten Dinge passieren in den extrem feinen Fortsätzen der Astrozyten an der Synapse. Uns fehlen die Methoden, dort funktionell zu messen. Wir erfassen immer nur die Antworten des Zellkörpers und der zellkörpernahen Fortsätze. Solange dies so ist, sollten wir uns mit Verallgemeinerungen zurückhalten.“

Auslöser der Epilepsie

Die Glia wird trotzdem nicht noch einmal als bedeutungsloser Leim in den Annalen der Medizin verschwinden. Denn es zeichnet sich ab, dass sie bei vielen neurologischen Erkrankungen, etwa der Alzheimerschen Erkrankung, der Schizophrenie, der Multiplen Sklerose und bei Epilepsie beteiligt ist. „Unsere Befunde lassen sogar vermuten, dass Epilepsie eher eine gliale als eine neuronale Erkrankung ist“, führt Steinhäuser aus.

Epileptiker leiden an nicht vorhersagbaren Krampfanfällen, in denen sie die Kontrolle über ihren Körper und manchmal auch über ihr Bewusstsein vorübergehend verlieren. Während eines Anfalls feuern alle Nervenzellen synchron. Deshalb standen diese Zellen jahrelang im Mittelpunkt der Forschung. Aber dann, im Jahr 2005, berichtet Neurowissenschaftlerin Maiken Nedergaard von der University of Rochester im Bundesstaat New York erstmals, dass Astrozyten einen Anfall auslösen könnten: Wenn sie viel Glutamat freisetzen, kann das die umliegenden Nervenzellen zunächst anhaltend aktivieren. Dann folgen die typisch epilepsieartigen Neuronensalven.

Die Glia als Urheber der Epilepsie – Steinhäusers Team kann diesen Verdacht mit neuesten Ergebnissen erhärten. Er analysiert zurzeit das Hirngewebe von Epileptikern, denen Medikamente nicht helfen und denen deshalb das erkrankte Gewebe chirurgisch entnommen wird. In diesen Zellproben gibt es keine funktionstauglichen Astrozyten mehr. Das gliale Netzwerk ist zerstört. „Wenn die Astrozyten derart entkoppelt sind, können sie keine Ionen und Botenstoffe von den Neuronen mehr aufnehmen und umverteilen. Das führt zur Überaktivierung der Neuronen“, analysiert Steinhäuser. Der Neurowissenschaftler Giorgio Carmignoto von der Universität Padua in Italien stützt diese Sichtweise mit Experimenten an Tiermodellen. Das Neuronengewitter bei einem Anfall wäre demnach nur ein Symptom und nicht das eigentliche Übel. Zu Anfang versagen die Gliazellen.

Sollten die Forscher recht behalten, könnte das 70 Millionen Epileptikern neue Therapiemöglichkeiten eröffnen. Denn jedem Dritten helfen die verfügbaren Medikamente nicht – vielleicht, weil diese bisher auf neuronaler Ebene ansetzen. Neue Substanzen, die in den Stoffwechsel der Gliazellen eingreifen, sind aber unterwegs.

zum Weiterlesen:

Araque, A et al.: Tripartite synapses: glia, the unacknowledged partner. Trends in Neurosciences. 1999; 22 (5):208 – 215 (zum Abstract).
Halassa, M et al.: Synaptic Islands Defined by the Territory of a Single Astrocyte. The Journal of Neuroscience. 2007; 27 (24):6473 – 6477 (zum Abstract).
Kettenmann, H: Neuroglia. Oxford University Press, 2004.
McCarthy, K et. al.: Hippocampal short– and long-term plasticity are not modulated by astrocyte Ca2+ signaling. Science. 2010; 327 (5970):1250 – 1254 (zum Abstract).
Nedergaard, M et al.: An astrocytic basis of epilepsy. Nature Medicine. 2005; 11(9):973 – 981 (zum Abstract).
Steinhäuser, C et al.: Neuron-glia synapses in the brain. Brain Research Reviews. 2010; 63:130 – 137 (zum Text).
Steinhäuser, C. et al.: Astrocyte dysfunction in neurological disorders: a molecular perspective. Nature Reviews Neuroscience. 2006; 7:194 – 206 (zum Abstract).