In einer früheren Studie zeigten die Braunschweiger Forscherinnen und Forscher bereits, dass die Reaktion des Immunsystems bei einer Erkrankung mit einem Grippevirus einen längerfristigen negativen Effekt im Gehirn haben kann. „Wir wissen, dass es im Krankheitsfall Signalsysteme gibt, die vom Immunsystem auf das Nervensystem wirken und umgekehrt. Diese haben vor allem negative Konsequenzen für beide Organsysteme des Körpers. Jetzt haben wir untersucht, ob die Signalsysteme auch unabhängig von einer Infektion auf das Nervensystem wirken und diese Wechselwirkungen auch positive Effekte haben können, zum Beispiel auf unser Lernvermögen“, sagt Professor Martin Korte, Neurobiologe am Institut für Zoologie der TU Braunschweig und Leiter der Arbeitsgruppe „Neuroinflammation und Neurodegeneration“ am HZI.
Helfer bei der Interaktion
Im Fokus der Forschenden stand das Typ I Interferon, das als ein antiviraler Botenstoff nach Virusinfektionen überwiegend im Blut zu finden ist. Interferone können aber auch im Gehirn gebildet werden und neben ihrer antiviralen Wirkung auch bei Autoimmunerkrankungen eine Rolle spielen. Untersuchungen haben gezeigt, dass geringe Mengen an Typ I Interferon auch ausgeschüttet werden, wenn keine Infektion vorhanden ist. Hier setzt das Forschungsteam an: Um mehr darüber herauszufinden, wie das Interferon mit dem Gehirn interagiert und sich darauf auswirkt, hat Dr. Shirin Hosseini von der Abteilung für Zelluläre Neurobiologie der TU Braunschweig die Gehirnstrukturen sowie das Lern- und Erinnerungsvermögen von Mäusen untersucht, in deren Nerven- und Gliazellen keine Rezeptoren für Interferon vorhanden waren.
Einschränkungen im Lernvermögen
Professor Ulrich Kalinke und seine Arbeitsgruppe am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) bzw. TWINCORE in Hannover haben dafür so genannte Knockout-Mäuse gezüchtet, bei denen die Rezeptoren für Typ I Interferon auf bestimmten Zelltypen fehlten. Die Forscherinnen und Forscher der TU Braunschweig untersuchten mithilfe von Gehirnschnitten dieser Mäuse den Hippocampus, also die Hirnregion, die für biographische Erinnerungen und Lernprozesse zuständig ist. Außerdem betrachteten sie das Erinnerungsvermögen der Tiere. Die Nagetiere mussten zum Beispiel nach ein paar Trainingseinheiten eine mit Wasser bedeckte Plattform wieder finden. „Wir haben festgestellt, dass es negative Auswirkungen auf die Physiologie des Gehirns hat, besonders auf Lernprozesse, wenn der Interferon-Rezeptor selektiv nur auf Astrozyten, einer Art der Gliazellen, fehlt“, fasst Dr. Shirin Hosseini die Ergebnisse zusammen. „Nachdem die Mäuse in dem Versuch gelernt hatten, wo sich die Plattform im Wasser befindet, haben sie diese innerhalb weniger Sekunden wieder gefunden. Ohne die Interferon-Rezeptoren auf den Astrozyten brauchten sie dafür deutlich länger.“
Wie aber beeinflusst das Interferon das Lern- und Erinnerungsvermögen der Mäuse? Im Hippocampus wird bei Gedächtnisprozessen der Neurotransmitter Glutamat ausgeschüttet, der als Botenstoff die Erregung von einer Nervenzelle auf eine andere überträgt. Die Astrozyten pumpen das Glutamat weg, damit ein nächster Impuls eine neue Wirkung auf die Rezeptoren haben kann. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben mithilfe der Mausmodelle herausgefunden, dass der Interferon-Rezeptor auf den Astrozyten wichtig ist, um den Abtransport des Glutamats zu beeinflussen. Das Typ I Interferon bestimmt nämlich, wie schnell das Glutamat abtransportiert wird. Wird es beispielsweise langsamer weggepumpt, hat es eine längere und damit stärkere Wirkung. Dadurch können sich Lernereignisse besser manifestieren. Fehlen die Interferon-Rezeptoren, fehlt die Regulation des Glutamatabtransportes und Gedächtnisprozesse kommen aus dem Gleichgewicht.
Hohe Spezifität der Ergebnisse
Die Studie des Teams um Professor Korte und Dr. Hosseini bestätigt, dass das Immunsystem auch unabhängig von einer Infektion das Nervensystem und speziell das Lernvermögen beeinflusst. „Das Besondere an unseren Ergebnissen ist die hohe Spezifität, mit der wir die molekulare Interaktion zwischen Immunsystem und Gehirn beschreiben können. Wir können genau sagen, welcher Rezeptor an welchen Synapsen Lernereignisse moduliert“, so Korte. Darauf aufbauend soll weiter geforscht werden, wie Korte sagt: „Unsere Studie zeigt, dass Moleküle des Immunsystems im Gehirn zum Einsatz kommen und in physiologischen, nur leicht erhöhten Konzentrationen sogar gut für Gedächtnisprozesse sind. Das legt die Frage nahe, ob auch eine Impfung, mit einer leichten Stimulation des Immunsystems, das Gehirn in seiner Leistungsfähigkeit fördern könnte, während eine starke Infektion das Gehirn dauerhaft schwächen kann. Das wollen wir als nächstes untersuchen.“
Angaben zur Studie
Für die Untersuchungen wurde mit 200 Mäusen gearbeitet. Alle Mäuse wurden im gleichen Alter untersucht, um die Vergleichbarkeit herstellen zu können. Die Tiere wurden am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) und am TWINCORE Hannover gezüchtet. Die Tierversuche fanden an der TU Braunschweig und am HZI statt. Die Studie wurde unter strengen Sicherheits- und Tierschutzauflagen durchgeführt und von der Helmholtz-Gemeinschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell unterstützt.
Originalpublikation
Shirin Hosseini, Kristin Michaelsen-Preusse, Gayane Grigoryan, Chintan Chhatbar, Ulrich Kalinke, Martin Korte: Type I interferon receptor signaling of astrocytes regulates hippocampal synaptic plasticity and cognitive function of the healthy CNS. Cell Reports 2020 DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107666
