Astroglial glutamate transporters are essential for maintenance of respiratory activity in the rhythmic slice preparation

Abstract

Astrozyten sind die häufigste Gliazellart im Gehirn und wurden bereits im 19. Jahrhundert von Rudolf Virchow beschrieben. Physiologische Untersuchungen an Astrozyten wurde lange Zeit durch nicht vorhandene Möglichkeiten der Identifikation von Astrozyten während eines physiologischen Experiments erschwert. Neben der Nutzung von transgenen Mäusen, die in ihren Astrozyten ein fluoreszierendes Protein exprimieren, wurde in den letzten Jahren immer häufiger ein fluoreszierender Farbstoff, Sulforhodamin 101 (SR101) genutzt, der selektiv Astrozyten anfärbt. Es wurde berichtet, dass SR101 Astrozyten im Neocortex und Hippocampus von Nagern selektiv anfärbt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die SR101-Färbung im Hirnstamm nicht ausreicht, um Astrozyten im Hirnstamm zuverlässig zu identifizieren. Die Experimente haben gezeigt, dass passive Diffusion von SR101 durch Gap Junction- oder Pannexin-Hemichannel nicht für die SR101-Aufnahme verantwortlich sein kann. Da MK-571 als Inhibitor von ABC-Transporter die astrogliale SR101-Färbung im Hippocampus blockiert, die SR101-Färbung in den Hirnstamm-Astrozyten aber nicht verbessert, ist wahrscheinlich ein aktiver Transport von SR101 in Astrozyten des Hippocampus mittels eines noch nicht identifizierten, MK-571-sensitiven Transporters für die selektive SR101-Aufnahme verantwortlich. Durch rhythmische Bursting-Aktivität von respiratorischen Neuronen im pre-Bötzinger Komplex (preBötC) ergeben sich rhythmische Erhöhungen der extrazellulären Konzentrationen von K+ und Neurotransmittern. In der vorliegenden Arbeit wurde herausgefunden, dass 10 % der gepatchten Astrozyten diese rhythmischen Veränderungen des Extrazellulärraums detektieren und Strom-Fluktuationen zeigen, die parallel zu den respiratorischen Bursts auftreten und auf Kir4.1-Kanälen und Glutamat-Transportern basieren. Weiterhin wurde unter verschiedenen Bedingungen getestet, ob im preBötC eine Ca2+-abhängige Kopplung zwischen den Astrozyten und den Neuronen existiert, da die Kommunikation zwischen Astrozyten und Neuronen meistens auf intrazellulären Ca2+-Signalen in Astrozyten beruht. Während der regulären respiratorischen Aktivität oder nach Blockade der inhibitorischen Transmission wurde allerdings keine Korrelation zwischen den respiratorischen Bursts und der intrazellulären Ca2+-Konzentration in Astrozyten gefunden. Erst nach Blockade der glialen Glutamat-Aufnahme und der dadurch verursachten Erhöhung der extrazellulären Glutamat-Konzentration wurden Ca2+-Oszillationen in Astrozyten induziert. Weiterhin veränderte die Depolarisation eines einzelnen rhythmischen Astrozyten während der regulären respiratorischen Aktivität den respiratorischen Rhythmus nicht. Aus den Experimenten schließen wir, dass während der regulären respiratorischen Aktivität, die Kopplung zwischen Astrozyten und Neuronen im preBötC sehr gering ist. Allerdings ist die astrogliale Glutamataufnahme essentiell für die Aufrechterhaltung der Aktivität des respiratorischen Netzwerks. Somit unterstreicht die vorliegende Arbeit die Bedeutung von Astrozyten im preBötC.