A novel mechanism for glial signaling studied by two-photon imaging

Prosjektet hadde som mål å karakterisere signaler i astrocyttter, de stjerneformede gliacellene, ved nervonal aktivitet. Spesielt var vi interessert i å studere om vannkanalproteinet AQP4 og dets forankringskompleks i utløperne rundt blodkar (endeføtter) påvirket signalene. Vi fant at AQP4 reduserte ekstracellulær kaliumkonsentrasjon under synaptisk aktivering (elektrisk stimulering av de såkalte Schaffer-kollateralene) i akutte hjerneskivepreparater. Ved hjelp av genetisk kodete fluorescerende sensorer levert inn i gliacellene ved hjelp av rekombinante adeno-assosierte virus fant vi at samme type nervecelleaktivering utløste Ca2+signaler i alle deler av astrocyttene, inklusive endefotsutløperne rundt blodkar. I en musemodell for tinninglappsepilepsi med sklerose, en tilstand karakterisert ved perivaskulær mangel på AQP4 og forankringsmolekyler, fant vi at aktivitetsinduserte Ca2+-signaler var økt i gliaendeføttene. Funnene kan forklare vaskulær dysregulering og endret ione- og væskebalanse ved tinninglappsepilepsi. Også i en annen epilepsimodell fant vi at samspillet mellom nevroner og astrocytter var forstyrret. Et annen oppdagelse var at de fleste anestesimidler reduserer gliacellenes Ca2+-signaler, hvilket innebærer fysiologiske studier av glia bør gjennomføres på våkne mus. I en annen studie der vi benyttet en musemodell for aurafasen av migreneanfall, oppdaget vi at gliacellenes Ca2+-konsentrasjon stiger før arteriolene trekker seg sammen. Samlet tyder funnene på at forhøyet Ca2+-nivå i endeføttene rundt blodårer er assosiert med vaskulær dysregulering.

A number of neurological diseases for which current therapies are nonexisting or inadequate involve deficiencies in glial function. Examples are stroke, Alzheimers disease and epilepsy. The recent Nobel-recognized discovery of aquaporins - the channels th at mediate rapid and regulated transport of water - opened up a new field in molecular medicine. The applicant pioneered the research on aquaporins in the CNS and disclosed that aquaporin-4 (AQP4), the predominant brain aquaporin, is concentrated in speci alized glial membranes at the brain-blood interface. Despite a decade of intense research the roles of glial water channels are still an enigma. The project utilizes two-photon imaging to unravel novel roles of AQP4 in brain. The new concepts launched are that AQP4 facilitates glial Ca2+ signaling and gliotransmitter release, thus promoting the neuronal hyperexcitability charachteristic of epileptic disorders. To delineate mechanisms underlying glial dysfunction in epilepsy we will combine gene knockout s trategies with electrophysiological recordings and two-photon microscopy. Further, the project will assess the role of AQP4 in cerebral blood flow regulation. The project is multidisciplinary and draws on the expertise of a national and international comp etence network including the EMBL Partnership for Molecular Medicine, an US group that is among the leading groups in the world on in vivo two-photon imaging, and Oslo University Hospital.