Unterschiede in der elektrischen Aktivität der Mikrotubuli im Hippocampus und im Neokortex erwachsener Ratten.

Es wird angenommen, dass Gehirnwellen synchronisierte elektrische Schwingungen widerspiegeln, die durch die Aktivität großer Gruppen aktiver Neuronen erzeugt werden und mittels Elektroenzephalogramm (EEG) sowie Aufzeichnungen des lokalen Feldpotenzials (LFP) beobachtet werden können. Gehirnwellen kommen in verschiedenen Tierstämmen vor (z. B. Insekten und Wirbeltiere), was auf eine grundlegende Rolle bei den Rechenprozessen des Gehirns hindeutet. Verschiedene Arten von Gehirnwellen, die sich durch Frequenz und Amplitude auszeichnen, wie Alpha-, Beta-, Delta-, Theta- und Gammawellen, weisen unterschiedliche Muster oszillatorischer Aktivität auf. Aktuelle Studien unterstreichen die Bedeutung der Wellenkohärenz für verschiedene kognitive Funktionen, insbesondere für Aufmerksamkeit und Gedächtnis. Eine erhöhte Kohärenz zwischen bestimmten Hirnregionen steht im Zusammenhang mit einer verbesserten Aufmerksamkeitsleistung, während eine verminderte Kohärenz mit Aufmerksamkeitsdefiziten assoziiert ist. Die Aufrechterhaltung des Kurzzeitgedächtnisses beinhaltet eine koordinierte Aktivität zwischen dem präfrontalen Kortex und dem Hippocampus. Frühere Studien haben gezeigt, dass Polymere des Zytoskeletts, darunter Aktinfilamente und Mikrotubuli (MTs), intrinsische elektrische Eigenschaften aufweisen, die zu intrazellulären Schaltkreisen in Neuronen beitragen und möglicherweise elektrische Schnittstellen zu Ionenkanälen bilden, die an der neuronalen Aktivität beteiligt sind. Insbesondere erzeugen MTs im Gehirn spontane elektrische Schwingungen mit Frequenzen, die denen von Gehirnwellen ähneln, was auf eine zentrale Rolle für die Gehirnfunktion hindeutet. In dieser Studie untersuchten die Autoren mithilfe von LFP-Messungen in Verbindung mit einem Patch-Clamp-System das Vorhandensein endogener Schwingungen in identifizierten Regionen des Gehirns erwachsener Ratten und konnten spezifische Muster mit deutlichen Frequenzspitzen nachweisen.

Rattenhirngewebeproben (n = 43), die bis zum Zeitpunkt des Experiments in extrazellulärer Lösung aufbewahrt wurden, wurden mit einem Patch-Clamp-Verstärker und einer Pipettenelektrode untersucht, die mit einer intrazellulären Salzlösung gefüllt war (identische KCl-Konzentration in Pipette und Bad). Um den Einfluss der Ionenkonzentration auf die elektrischen Ströme zu bewerten, wurde Rattenhirngewebe 24–48 Stunden lang in einer KCl-Lösung inkubiert. Wie zuvor wurde das Hirngewebe unter symmetrischen KCl-Bedingungen mit einem Patch-Clamp-Verstärker untersucht. Um den Beitrag der Mikrotubuli (MTs) zu den elektrischen Oszillationen im Rattenhirn zu bewerten, untersuchten die Autoren die Wirkung des MT-Stabilisators Paclitaxel, der die elektrischen Oszillationen von MT-Präparaten eliminiert.

Spannungsgeklemmte Kortexproben zeigten spontane, sich selbst erhaltende elektrische Schwingungen, die direkt auf die Stärke und Polarität des elektrischen Reizes reagierten. Ähnliche Ergebnisse wurden bei den Hippocampusproben erzielt. Die Fourier-Spektren zeigten für beide Proben (Kortex und Hippocampus) eine Grundfrequenz von ~38 Hz. Die Frequenz ist bereits bei 0 mV vorhanden, was auf das Vorhandensein eines chemischen Gradienten zwischen dem umgebenden Milieu der Hirnsubstanz und dem Inneren der Pipette hindeutet. Die Schwingung war bei den Kortexproben ausgeprägter als beim Hippocampus. Spannungsgeklemmte Kortexproben, die in KCl inkubiert wurden, zeigten spontane, selbsttragende elektrische Schwingungen, die direkt auf die Stärke und Polarität des elektrischen Reizes reagierten. Ähnliche Ergebnisse wurden bei den Hippocampusproben erzielt. Die Fourier-Spektren zeigten für beide Proben (Kortex und Hippocampus) eine Grundfrequenz von ~38 Hz. Die Schwingungsfrequenz ist auch hier bei 0 mV vorhanden. Nach der Inkubation mit KCl waren die Schwingungen bei den Proben aus dem Kortex und dem Hippocampus ähnlich. Die spontanen elektrischen Schwingungen waren nach Zugabe von Paclitaxel deutlich reduziert (aber noch messbar), wobei im Fall des Hippocampus eine fast vollständige Hemmung erreicht wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass MTs eine grundlegende Rolle bei den im Rattengehirn beobachteten intrazellulären Schwingungen spielen. Laut elektronenmikroskopischen Aufnahmen scheinen die longitudinalen MTs im Kortex weniger organisiert zu sein als im Hippocampus. Die elektrischen Unterschiede könnten mit dem Grad der Ordnung der MT-Anordnungen übereinstimmen, wie es verwandte Studien nahelegen.

Diese Studie trägt wesentlich zum Verständnis der Rolle von Mikrotubuli bei neuronalen elektrischen Oszillationen bei. Der MT-Stabilisator Paclitaxel ist ein Antimitotikum, von dem bekannt ist, dass es mit Bindungsstellen im Inneren von MTs interagiert. Die deutliche Unterdrückung der elektrischen Oszillationen durch Paclitaxel im Kortex und im Hippocampus unterstreicht die entscheidende Rolle von MTs bei diesen Oszillationen. Andere aktuelle Studien der Forschungsgruppe der Autoren zeigten, dass isolierte Mikrotubuli-Bündel aus Rinderhirn ebenfalls spontane, sich selbst erhaltende elektrische Oszillationen erzeugen, die Frequenzkomponenten im Bereich der Gehirnwellen aufweisen [1]. MT-gesteuerte elektrische Oszillationen mit markanten Spitzen um 38 Hz und 90 Hz wurden zuvor auch im Gehirn von Honigbienen beobachtet, was die interessante Möglichkeit nahelegt, dass MTs im Gehirn einen zentralen Oszillator darstellen [2]. Diese Daten deuten darauf hin, dass das Zytoskelett intrazelluläre elektrische Signale vermittelt, was ein zentrales Phänomen des Hirngewebes sein könnte.

Anmerkungen der Redaktion:

Aufgrund ihrer hohlzylindrischen Struktur und ihres Kristallgitters wird vermutet, dass Mikrotubuli als biologische Wellenleiter fungieren, also als Strukturen, die elektromagnetische Wellen innerhalb von Zellen leiten. Durch ihre Geometrie, ihren dielektrischen Kontrast und ihre Symmetrie ähneln sie künstlichen optischen Wellenleitern, ähnlich Glasfaserkabeln. Mikrotubuli sind die ersten Makromoleküle, deren elektromagnetisches Verhalten vollständig modelliert werden kann. Da sie nachweislich mit spannungsgesteuerten Ionenkanälen in der Zellmembran verbunden sind, sind sie wahrscheinlich direkt oder indirekt an den biologischen Wirkungen (externer) elektromagnetischer Felder beteiligt. (AT)

• Gutierrez BC, Pita Almenar MR, Martínez LJ, Siñeriz Louis M, Albarracín VH, Cantero MD, Cantiello HF. Honeybee brain oscillations are generated by microtubules. The concept of a brain central oscillator. Frontiers in Molecular Neuroscience. 2021 Sep 29;14:727025. https://doi.org/10.3389/fnmol.2021.727025
• Scarinci N, Priel A, Cantero MD, Cantiello HF. Brain microtubule electrical oscillations-Empirical Mode Decomposition analysis. Cellular and Molecular Neurobiology. 2023 Jul;43(5):2089-104. https://doi.org/10.1007/s10571-022-01290-9