Forscher entwickeln neues Werkzeug für die Neurobiologie Licht schaltet Nervenzellen an - scinexx | Das Wissensmagazin
Anzeige
Anzeige

Forscher entwickeln neues Werkzeug für die Neurobiologie

Licht schaltet Nervenzellen an

Hippocampus-Neuronen mit Halorhodopsin (NpHR) gekoppelt an einen gelb fluoreszierenden Farbstoff (eYFP) bzw. mit Channelrhodopsin-2 (ChR2) gekoppelt an einen rot fluoreszierenden Farbstoff (mCherry). © Zhang et al., 2007

Ein Werkzeug, mit dem sich Nervenzellen in lebendem Gewebe innerhalb von Millisekunden an- und wieder abschalten lassen, hat jetzt ein internationales Wissenschaftlerteam entwickelt. Als Schalter fungieren dabei ein aus einer Alge stammender lichtaktivierbarer Ionenkanal sowie eine ebenso durch Licht gesteuerte Ionenpumpe aus einem Archaebakterium.

{1l}

Beide Mikroorganismen gehören zur Klasse der mikrobiellen Rhodopsine, in die – wie beim Sehpurpur im menschlichen Auge – der Chromophor Retinal eingebunden ist. Die entsprechenden Gene wurden in Nervenzellen eingeschleust und führten dort zur Bildung funktioneller Proteine. Durch gezielte Aktivierung der Rhodopsine mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge (d.h. Farbe) konnten die Forscher die Zellen unabhängig voneinander an- und abschalten.

Durch diese elegante Manipulation der neuronalen Botschaften wird es nun möglich, die Rolle bestimmter Zellen in neuronalen Netzen zu erforschen. Wie die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe von Nature berichten, konnten sie ihr neues Werkzeug bereits am lebenden Tier testen: dem kleinen Fadenwurm C. elegans.

Rätsel Gehirn

Das menschliche Gehirn ist das wohl faszinierendste Organ – die Frage, wie Informationen im Gehirn niedergelegt sein könnten und wie das Gehirn auf die Daten in diesem riesigen Informationsspeicher zugreift, beschäftigt die Menschheit schon seit langem. Erkenntnisfortschritte wurden oft mit neuen Techniken gewonnen, zu denen neben den verfeinerten elektrophysiologischen Methoden vor allem bildgebende, so genannte Imaging-Verfahren gehören. Dennoch fehlte es bisher an geeigneten Werkzeugen, mit denen man Nervenzellen im intakten Hirngewebe nicht-invasiv präzise an- und abschalten kann, um ihren Beitrag im neuronalen Netzwerk nachzuweisen.

Anzeige

Zwei unscheinbare Mikroben haben den Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt/Main und ihren Kollegen von der Univ. Frankfurt und der Stanford University in USA nun weitergeholfen: Dabei handelt es sich um das Archaebakterium Natronomonas pharaonis sowie die kleine Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Chlamydomonas besitzt einen als Channelrhodopsin-2 bezeichneten Ionenkanal (ChR2), der ursprünglich 2003 am Max-Planck-Institut für Biophysik charakterisiert wurde.

Ein Virus-Shuttle in die Nervenzellen

Überträgt man das entsprechende Gen per Virus-Shuttle in Nervenzellen, so lässt sich der Kanal dort durch Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich (blau) aktivieren. Der daraus resultierende Einwärtsstrom von Kationen führt zu einer Depolarisation der Zellen und damit zur Auslösung von Aktionspotenzialen (Spikes) – die Nervenzellen werden quasi angeschaltet. Sobald der Lichtpuls aussetzt, schließt sich der Kanal wieder. Die elektrischen Botschaften der Nervenzellen – kodiert in der Spike-Frequenz – können also durch einen einfachen Lichtpuls gesteuert werden.

Bereits 2005 hatten Alexander Gottschalk von der Universität Frankfurt, Georg Nagel und Ernst Bamberg, Direktor am MPI für Biophysik, mit ihren jeweiligen Mitarbeitern gezeigt, dass sich auf diese Weise in dem kleinen Fadenwurm Caenorhabditis elegans sogar Verhaltensantworten auslösen lassen.

Diese Vorgehensweise erlaubte jedoch nur eine Aktivierung der Zellen. Auf der Wunschliste der Forscher ganz oben stand daher ein Werkzeug, das es ermöglicht, Nervenzellen mit der gleichen zeitlichen Präzision, nämlich innerhalb von Millisekunden, abzuschalten – und zwar über einen Lichtpuls anderer Farbe. Im Fokus der Forscher: die Chloridpumpe Halorhodopsin. Ernst Bamberg hatte dieses Protein bereits früher mit Hilfe elektrischer Methoden detailliert auf seine Transporteigenschaften untersucht, und Georg Nagel war es in der Folge gelungen, Halorhodopsin aus Natronomonas pharaonis (NpHR) erstmals in tierischen Zellen zu exprimieren. Wurden die Zellen mit gelbem Licht beleuchtet, so kam es zu einem Einwärtsstrom von Chloridionen und infolgedessen zu einer Hyperpolarisation, die Aktionspotenziale hemmt.

Elektrische Eigenschaften der Zelle nicht beeinträchtigt

Damit war der Grundstein für die vorliegende Nature-Veröffentlichung gelegt. Die Kollegen in Stanford fusionierten das NpHR-Gen mit einem fluoreszierenden Protein (eYFP) und schleusten es wiederum per Virus-Shuttle in kultivierte Hippocampus-Nervenzellen ein. Sie konnten nun mit gelbem Licht einzelne Aktionspotenziale ebenso wie eine ganze Salve von Spikes unterbinden.

In einem nächsten Schritt verknüpften sie Channelrhodopsin-2 mit einer rot fluoreszierenden Protein-Variante (mCherry) und koexprimierten den Kanal aus der Alge und die Pumpe aus dem Archaebakterium in Hippocampus-Neuronen. Tatsächlich war es nun möglich, das Membranpotenzial in ein und demselben Neuron in beide Richtungen zu verändern: Blaue Lichtpulse lösten durch Aktivierung von ChR2 Aktionspotenziale aus, während gelbe Lichtpulse durch Aktivierung von NpHR die Aktionspotenziale löschten. „Dabei werden die grundlegenden elektrischen Eigenschaften der Zelle nicht beeinträchtigt“, betont Georg Nagel, der heute eine Professur an der Universität Würzburg innehat.

Licht schaltet Neuronen an und ab

Eine wichtige, noch zu beantwortende Frage war, ob mit diesem System auch das Verhalten eines Tieres in vivo kontrolliert werden kann. Für Channelrhodopsin-2 war das ja bereits für die Taufliege Drosophila und den Fadenwurm C. elegans gezeigt worden. Wieder arbeiteten die Max-Planck-Wissenschaftler mit dem Team des C. elegans-Experten Gottschalk zusammen. Wurde die Chloridpumpe NpHR in Nerven- oder Muskelzellen von C. elegans exprimiert, so führte Lichtaktivierung zum unmittelbaren Stopp (innerhalb von 150 Millisekunden) der Schwimmbewegungen. Nach Beendigung des Lichtreizes kehrte der kleine Fadenwurm zu seinem natürlichen Schwimmverhalten zurück. „Auch die gemeinsame Expression des Kationenkanals mit der Chloridpumpe in C. elegans war erfolgreich“, sagt Gottschalk.

„Das NpHR/ChR2-System erlaubt uns erstmals, Neuronen allein durch Licht auf einer Zeitskala von Millisekunden und mit extrem hoher räumlicher Auflösung, also im Mikrometerbereich, nicht-invasiv an- und abzuschalten. Damit kann durch die geeignete Wahl der Lichtpulssequenz der neuronale Code nachgeahmt oder verändert werden“, erklärt Ernst Bamberg. „Wir haben mit den beiden lichtschaltbaren Proteinen den Neurobiologen ein sehr vielseitig anwendbares Werkzeug in die Hand gegeben, mit dem sowohl in neuronalen Zellkulturen als auch in transgenen Tieren völlig neuartige Untersuchungen durchgeführt werden können.“

(MPG, 05.04.2007 – DLO)

Anzeige

In den Schlagzeilen

Diaschauen zum Thema

keine Diaschauen verknüpft

Dossiers zum Thema

„Der kleine Unterschied“ im menschlichen Gehirn - Wie Östrogen und Co. die kognitiven Leistungen beeinflussen

Elektrische Synapsen - „Aschenputtel“ unter den Zellkontakten

Neuland in drei Dimensionen - Ein Blick ins Innere der Zelle

Alleskönner Alge - Von Sushi bis zur Blauen Biotechnologie

Gehirnforschung - Dem menschlichen Denken auf der Spur

News des Tages

Quark-Gluon-Plasma

Urmaterie im Miniformat erzeugt

Menschheit dreht Klima-Uhr zurück

Voyager 2 hat den interstellaren Raum erreicht

Reiches Leben im "Keller der Erde"

Asteroid Bennu hat gebundenes Wasser

Bücher zum Thema

Medizin für das Gehirn - Hrsg. Spektrum der Wissenschaft

Eine kurze Reise durch Geist und Gehirn - von Vilaynur S. Ramachandran

Descartes' Irrtum - Fühlen, Denken und das menschliche Gehirn von Antonio R. Damasio

Der Beobachter im Gehirn - Essays zur Hirnforschung von Wolf Singer

Top-Clicks der Woche

Anzeige
Anzeige