Sebuah studi kolaboratif Prancis-Swiss mengungkapkan peran yang sebelumnya tidak diketahui untuk astrosit dalam pemrosesan informasi otak.
Sebuah studi kolaboratif antara universitas Lausanne (UNIL) dan Jenewa (Unige), Grenoble Institute of Neuroscience (Gin) dan WYSS Center for Bio dan Neuroengineering mengungkapkan peran yang sebelumnya tidak diketahui untuk astrosit dalam pemrosesan informasi otak. Diterbitkan dalam jurnal sel, studi mereka menunjukkan bahwa sel glial ini mampu mengintegrasikan dan memproses sinyal dari beberapa neuron sekaligus. Dengan menggunakan teknik pencitraan mutakhir, tim mengidentifikasi struktur khusus baru yang disebut selebaran, yang memungkinkan astrosit untuk menghubungkan beberapa neuron, dan dengan demikian jaringan saraf. Ini merupakan perubahan konseptual dalam pemahaman kita tentang otak.
Otak tidak berfungsi melalui neuron saja. Faktanya, hampir setengah dari sel yang membentuk otak adalah sel glial, dan di antaranya, astrosit menempati tempat khusus. Nama mereka berasal dari kerangka berbentuk bintang, tetapi penampilan eksternal mereka lebih mengingatkan pada bintang nebular tertentu, dengan kontur filamen yang tidak teratur yang memungkinkan mereka untuk memasukkan diri ke dalam celah terkecil antara neuron, pembuluh darah, dan sel-sel lainnya. Dengan demikian mereka bersentuhan erat dengan sinapsis, hub komunikasi antara neuron.
Kami telah menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa astrosit tidak terbatas untuk menanggapi satu sinaps tunggal.
Sejak 1990 -an, ahli saraf telah menduga bahwa astrosit secara aktif berpartisipasi dalam transmisi informasi dengan menggunakan kalsium sebagai molekul messenger. Komponen kimia kecil ini dapat memicu kaskade reaksi dalam sel, termasuk pelepasan pemancar molekuler yang dapat memodulasi aktivitas sinaptik. Agar sinyal ini terjadi, struktur internal yang disebut retikulum endoplasma (ER) sangat penting: ia menyimpan kalsium dan melepaskannya dalam kondisi tertentu. Meskipun banyak hipotesis, peran yang tepat dari sinyal kalsium ini tetap tidak jelas, terutama di area terkecil dari astrosit dalam kontak langsung dengan sinapsis, karena mereka sangat sulit untuk diamati karena ukurannya yang kecil. Sebuah tim peneliti yang menyatukan universitas -universitas Lausanne (UNIL) dan Jenewa (Unige), Universitas Inserm dan Grenoble Alpes (Grenoble Institute of Neuroscience, Gin), dan Wyss Center for Bio dan Neuroengineering baru saja mengisi celah ini.
Di luar sinaps sederhana
Sampai sekarang, astrosit dianggap bertindak pada margin sinapsis neuronal. Yang disebut “model sinaps tripartit” mengaitkan peran tambahan dengan mereka: memodulasi aktivitas antara dua neuron. Tetapi penelitian saat ini mengungkapkan peran yang jauh lebih sentral: astrosit tidak hanya berinteraksi dengan sinaps tunggal – mereka secara bersamaan mengoordinasikan beberapa input sinaptik dari neuron yang berbeda yang mencapai tingkat baru integrasi spasial dan temporal dari informasi.
Studi yang diterbitkan di Sel Pada 24 September, mengungkapkan bahwa ekstensi spesifik membran astrosit, dijuluki selebaranmenyelimuti sinapsis, berisi ER, dan saling berhubungan melalui terowongan yang disebut persimpangan gap untuk membentuk domain fungsional tunggal. Di masing -masing domain ini, sejumlah kecil kalsium dilepaskan setiap kali sinaps tetangga aktif. Dengan demikian, satu leaflet tunggal dapat mengintegrasikan sinyal dari sekitar saat itu, atau bahkan lebih, neuron yang berbeda. Domain kemudian melepaskan jumlah kalsium yang lebih besar, mencerminkan integrasi berbagai sinyal neuron yang diterima. Kalsium ini pada gilirannya mempromosikan pelepasan faktor -faktor yang dapat mengatur komunikasi antara sinapsis yang tertutup dalam leaflet.
Jauh dari relay sederhana, para ilmuwan dengan demikian menganggap astrosit sebagai elemen komputasi aktif otak. “We have demonstrated for the first time that astrocytes are not limited to responding to a single synapse, but can integrate signals from entire neural circuits. This opens the door to new cognitive functions carried out by these glial cells,” explains Andrea Volterra of the University of Lausanne's Department of Fundamental Neuroscience, honorary professor at the Faculty of Biology and Medicine and study co-director.
Menjelajahi setiap sudut otak
Untuk mengamati interaksi yang belum pernah terjadi sebelumnya ini, tim ini menggabungkan dua teknik mutakhir: mikroskop elektron volumetrik resolusi nanoskopi dan teknik mikroskop optik. “Kami mengembangkannya secara khusus untuk penelitian ini sehingga kami dapat memvisualisasikan perubahan kalsium dalam volume yang sangat kecil,” kata Nicolas Liaudet, seorang insinyur di platform bioimaging dari Fakultas Kedokteran Universitas Jenewa dan rekan penulis penelitian. Pendekatan ini memungkinkan untuk memvisualisasikan selebaran di lingkungan mereka yang tepat dan untuk mengevaluasi secara bersamaan komposisi, konektivitas, dan peran dinamis mereka. “Sinergi metodologis kami adalah kunci untuk mencapai tingkat pemahaman baru ini,” menunjukkan Karin Pernet-Gallay, Direktur Platform Mikroskop Elektron di Grenoble Institute of Neurosciences dan Co-Director of Studies.
Selebaran, ukurannya kurang dari 250 nanometer, berasal dari tubuh sel astrosit atau dari ekstensi utamanya, tidak mengandung mitokondria, tetapi memiliki fragmen retikulum endoplasma (ER) dan pemanggilan molekuler yang mampu menghasilkan sinyal kalsium. Mereka cukup dekat dengan sinapsis untuk menanggapi sinyal mereka dan saling berhubungan satu sama lain untuk mengoordinasikan tanggapan yang lebih luas. Dengan menghapus bagian genetik dari mesin molekuler yang memungkinkan pensinyalan kalsium dalam astrosit, para peneliti dapat menunjukkan bahwa sinyal kalsium kecil yang berasal dari selebaran itu sendiri sebagai akibat dari aktivitas sinaptik. Andrea Volterra menjelaskan bahwa selebaran itu, dengan cara tertentu, “menara kontrol biokimia, terlepas dari sisa astrosit. Mereka tampaknya ada di sana untuk mensurvei dan mengoordinasikan informasi yang bepergian di setiap lintasan sinaptik menurut rencana tingkat yang lebih tinggi.”
Fungsi kognitif dan klinis untuk dieksplorasi
Hasil penelitian menunjukkan bahwa aktivitas astrosit berkorelasi dengan sinyal neuron di sinapsis, tetapi juga diamplifikasi ketika beberapa neuron aktif pada saat yang sama. Kapasitas untuk integrasi ini berpotensi membuat astrosit pengontrol aktivitas otak berskala besar, bukan regulator lokal sederhana pada tingkat sinaps individu.
Penemuan ini menawarkan jalan baru untuk memahami fungsi otak yang lebih tinggi seperti ingatan, emosi, kesadaran, dan pengambilan keputusan. Mereka juga bisa menjelaskan disfungsi tertentu yang diamati pada patologi otak. “Sangat mungkin bahwa astrosit memainkan peran yang protektif atau menjengkelkan tergantung pada konteks patologis. Kami sekarang akan mempelajari keterlibatan mereka dalam memori dan degenerasi neurokognitif seperti penyakit Alzheimer,” simpul Andrea Volterra.
