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Forscher am MIT haben ein Kalzium-Sensor-Material auf Nanobasis entwickelt, mit dem sich die komplexe Kommunikation zwischen Nervenzellen beobachten lässt. Alan Jasanoff und sein Team am Francis Bitter Magnet Lab und dem McGovern Institute for Brain Research hatten zuvor herausgefunden, dass Kalzium, das im Gehirn eine wichtige Rolle als Botenstoff einnimmt, eine präzisere Methode zur Untersuchung neuronaler Aktivitäten ermöglichen könnte - zumindest im Vergleich zu traditionellen bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRI).
Bei der fMRI-Technik werden leistungsfähige Magnete eingesetzt, um den Blutfluss im Gehirn zu verfolgen. So können Forscher sich den Denkapparat "in Aktion" betrachten. Durch eine große Anzahl schneller Aufnahmen werden Ärzten und Wissenschaftlern dabei wichtige Bereiche des Gehirns gezeigt, die in Reaktion auf bestimmte Aufgaben oder Kommandos an den Patienten im fMRI-Bild "aufleuchten". Mit Hilfe der Technologie ließen sich bereits Hirnbereiche feststellen, die mit grundlegenden motorischen Fähigkeiten, dem Sprachvermögen oder gar tieferen geistigen Zustände wie Neid, dem Gefühl des Täuschung oder gar der Moral zu tun haben könnten.
In ihrer heutigen Form hat die fMRI-Technik aber einen grundlegenden Nachteil: Sie misst den Blutfluss, die so genannte Hämodynamik, die nur eine indirekte Bewertung der Nervenzellen-Aktivitäten ermöglicht. "Es hat sich gezeigt, dass die Hämodynamik eine Verzögerung von bis zu fünf Sekunden hat", so MIT-Forscher Jasanoff. "Das bedeutet, dass wir schnelle Veränderungen gar nicht feststellen können."
Da Nervenzellen im Bereich von Millisekunden "funken", bietet die fMRI-Technik nur ein recht grobes Bild der Hirnaktivität. Zudem bringt sie nur eine relativ geringe räumliche Auflösung in Bereichen um 100 Mikrometer mit - allein hier können bis zu 10.000 Nervenzellen sitzen, die jeweils verschiedene Aktivitätsmuster besitzen. Mit stärkeren Magneten soll die fMRI-Technik daher verfeinert werden, damit sich Blutfluss und seine Bedeutung für die Gehirnaktivität besser messen lassen.
Jasanoff glaubt allerdings, dass es grundsätzlich bessere Methoden gibt, die Nervenzellen zu beobachten. Er und sein Team setzen daher auf Kalzium als direktem Indikator für die Übertragungen zwischen den Nervenzellen. Wenn eine Nervenzelle einen elektrischen Impuls an eine andere Nervenzelle schickt, öffnen sich sofort Kalzium-Kanäle in der Zellmembran - das Kalzium fließt. "Das ruft eine deutliche Signalveränderung hervor", sagt Jasanoff.
Fluoreszierende Kalzium-Sensor-Materialien werden bereits als Kontrastmittel für optische Verfahren nahe der Hirnoberfläche verwendet. Im Bereich des tiefer liegenden Hirngewebes ist der Einsatz ein Novum. Jasanoffs Team arbeitet an einem solchen Material. Hierzu wird ein superparamagnetisches Eisenoxid-Nanopartikel als Ausgangsbasis verwendet - ein molekülgroßer Magnet, der sich von der fMRI-Technik in kontrastreichen Bildern darstellen lässt. Der Vorteil des Superparamagnetismus besteht darin, dass die Teilchen nur magnetisch sind, solange ein äußeres Feld einwirkt. Größere paramagnetische Partikel hingegen würden ihre Magnetisierung auch nach Abschalten des Feldes behalten.
Das Sensor-Material selbst besteht aus zwei verschiedenen Nanopartikeln, die mit jeweils einem anderen Protein überzogen sind: Calmodulin und M13. Ist Kalzium vorhanden, binden sich diese beiden Proteine aneinander. "Man kann sich das wie zwei Bälle vorstellen, die über einen Klettverschluss verfügen. Der eine hat die Haken, der andere die passenden Ösen. Beide binden sich aber nur dann, wenn Kalzium vorhanden ist." Die Proteine lösen sich voneinander, wenn das Kalzium verschwunden ist. So lassen sich die elektrischen Aktivitäten zwischen den Nervenzellen während verschiedener Abläufe im Gehirn direkt beobachten, was mit fMRI und reiner Hämodynamik aktuell nicht möglich ist.
Jasanoffs bisherige Arbeit ist nur der erste Schritt, dieses Ziel zu erreichen. Bislang wurde der Sensor nur im Reagenzglas in Lösungen mit und ohne Kalzium getestet. Die dabei entstehenden Substanzen wurden dann mit einem Kernspintomografen überprüft. Die ersten Ergebnisse aus diesen Experimenten, die Jasanoff in den "Proceedings of the National Academies of Sciences" veröffentlichte, sind jedoch viel versprechend: Die MRI-Scans zeigten kontrastreiche Bilder der mit Protein überzogenen Nano-Partikel, sobald Kalzium vorhanden war. Die Bilder tauchten allerdings erst nach vielen Sekunden und manchmal sogar erst nach Minuten auf. Jasanoff hält das Sensor-Material aber für weiter anpassbar, so dass die Antwortzeiten in späteren Experimenten deutlich verbessert werden sollen. Demnächst will er die Kalzium-Sensoren in einzelne Fliegen-Zellen injizieren und später auch Versuche mit Ratten vornehmen.
Außenstehende wie Greg Sorenson von der Harvard Medical School zeigen sich gegenüber dem neuen Verfahren für die Beobachtung der Hirnaktivität allerdings nur vorsichtig optimistisch. Es gäbe noch viele Fragen, insbesondere, was die Anwendbarkeit beim Menschen anbetreffe. Sorenson, Dozent für Radiologie, arbeitet selbst an der Nutzung neuartiger bildgebender Verfahren für die Behandlung neurologischer Krankheiten.
"Eisenpartikel, die zwischen Zellen beim Menschen eingesetzt wurden, haben sich in einigen Studien als nicht gerade sicher erwiesen", gibt er zu bedenken. Sollte die Technik aber nur ein mittleres Risiko haben, werde dieses durch die mögliche Entdeckung neuer Behandlungsmethoden für schwer zu behandelnde Krankheiten aufgewogen. Sorenson denkt dabei etwa an Schizophrenie.
Übersetzung: Ben Schwan.
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