Wenn im Hirn ein Licht aufgeht

Die Optogenetik will mit Hilfe von molekularen „Lichtschaltern“ das Bild der Hirnaktivitäten noch feiner auflösen – bis hinunter zu einzelnen Neuronen. Damit soll entschlüsselt werden, wie Erinnerung oder Suchtverhalten entstehen oder wie der Übergang vom Schlaf in den Wachzustand genau abläuft.

Lesezeit: 3 Min.
In Pocket speichern
vorlesen Druckansicht Kommentare lesen 1 Beitrag
Von
  • Emily Singer

Langsam, aber doch stetig lüften sich die Geheimnisse, wie das Gehirn eigentlich arbeitet. Das ist immer besseren Verfahren zu verdanken, die die Vorgänge in seinem Inneren sichtbar machen. Das Fachgebiet der Optogenetik schickt sich nun an, das Bild mit Hilfe von molekularen „Lichtschaltern“ noch feiner auflösen – bis hinunter zu einzelnen Neuronen. Damit soll entschlüsselt werden, wie Erinnerung oder Suchtverhalten entstehen oder wie der Übergang vom Schlaf in den Wachzustand genau abläuft.

Entwickelt wurde die Technologie vor vier Jahren von Karl Deisseroth, Arzt und Biologe an der Stanford University, und Ed Boyden, Biotechniker am MIT. Inzwischen wird sie weltweit in Hunderten von Laboren eingesetzt. Über Glasfasern können Forscher Licht tief ins Innere des Gehirns senden und dank molekularer Tricks studieren, wie sich eine Stimulierung von Neuronen auf das Verhalten von Versuchstieren auswirkt.

Um Neuronen lichtempfindlich zu machen, werden sie genetisch so verändert, dass sie ein Protein ausbilden, das aus Grünalgen stammt. Fällt Licht auf die Zelle, löst das Eiweißmolekül ein elektrisches Signal aus, das an die nächste Nervenzelle eines neuronalen Schaltkreises weitergeleitet wird. Damit lässt sich die Hirnaktivität präziser als je zuvor steuern. Bislang mussten Forscher auf Elektroden zurückgreifen, wenn sie Hirnzellen elektrisch stimulieren wollten.

Auf diese Weise will die Gruppe um Michael Hausser vom University College London herausfinden, wie in Mäusehirnen Erinnerungen gespeichert werden. Lernt das Tier etwas Neues, wird nach der gängigen Theorie eine Neuronengruppe im Hippocampus aktiviert. „Man geht davon aus, dass eine Erinnerung daran schon dann ausgelöst wird, wenn nur ein Teil dieses Zellnetzwerks aktiviert wird“, erläutert Hausser. „Es gibt aber keine eindeutigen experimentellen Belege, wie dieser Prozess genau abläuft.“

Er und seine Mitarbeiter veränderten daher in Labormäusen das lichtempfindliche Protein genetisch derart, dass es sich nur in den Zellen bildet, die beim Entstehen einer Erinnerung aktiv sind. Dann brachten sie den Tieren bei, dass auf einen Ton ein elektrischer Schlag folgt. Hörten die den Ton später, erstarrten sie vor Angst, weil sie den Stromstoß erwarteten – und in den entsprechenden Hirnzellen bildete sich das Lichtprotein.

Am nächsten Tag schickten die Forscher über Glasfasern blaues Licht in den Hippocampus. Das aktivierte genau die Neuronen, die am Tag zuvor gefeuert hatten, als die Tiere die Verknüpfung von Ton und Stromstoß gelernt hatten. Die Reaktion war nun dieselbe: Die Mäuse erstarrten augenblicklich – ohne dass der Ton erklungen wäre, nur aufgrund des Lichts. Weil die beteiligten Zellen mit Leuchtmarkern versehen worden waren, konnten die Wissenschaftler auch feststellen, wieviele Zellen involviert waren. „Es reicht eine erstaunlich kleine Zahl von Neuronen aus, um die Erinnerung in Gang zu setzen, etwa 100 bis 200“, sagt Hausser.

Dem Mechanismus des Erinnerns auf die Spur zu kommen, ist nur ein Untersuchungsgegenstand. Andere Forscher versuchen, mit dem Verfahren Einzelheiten über Leiden wie Depression, Parkinson oder Sucht herauszubekommen. Parkinson etwa lässt sich behandeln, indem implantierte Elektroden tief im Innern das Gehirn anregen. Der massive Eingriff kann aber zu Depressionen oder Wahrnehmungsstörungen führen. Die Gruppe um Karl Deisseroth konnte in diesem Jahr zeigen, dass sich mit der Lichtbehandlung ein vergleichbarer Effekt auch in Hirnregionen erreichen lässt, die näher an der Oberfläche liegen.

Damit eröffnet sich vielleicht eine Möglichkeit, Parkinson mit nicht-invasiven Methoden zu behandeln. Die US-Arzneimittel-Behörde FDA hat bereits ein Verfahren zugelassen, in dem Teile des Gehirns durch Magneten angeregt werden, die auf der Kopfhaut platziert sind. Die Ergebnisse sind bislang aber durchwachsen. „Die Leute stochern in verschiedenen Hirnregionen rum, ohne genau zu wissen, was eigentlich vor sich geht“, meint Deisseroth. Mit dem neuen Verfahren will er bei Parkinson-Patienten die richtige Stelle identifizieren, was bereits in Tierversuchen gelungen ist. Dann könnte dieser Teil des Gehirns ganz gezielt stimuliert werden.

Die Optogenetik soll auch helfen, Depressionen besser zu verstehen, die ebenfalls mit elektrischer Stimulierung behandelt werden. Unklar ist nämlich bislang, welche Regionen für unterschiedliche Symptome wie Müdigkeit, Niedergeschlagenheit oder mangelnde Freude an alltäglichen Aktivitäten verantwortlich sind.

Im Labor bilden Forscher in Mäusen klinische Depressionen nach, indem sie sie einige Tage extremem sozialen Stress aussetzen. Der schädigt die Tiere so schwer, dass sie für den Rest ihres Lebens jeden Kontakt mit anderen Mäusen meiden. Wie bei menschlicher Depression geht diese Veränderung mit abnormen Aktivitätsmustern im Präfrontalen Cortex einher, der hinter der Stirn im so genannten Frontallappen des Gehirns sitzt.

Herbert Covington von der Mount Sinai School of Medicine in New York machte in derart gestressten Mäusen Neuronen im Präfrontalen Cortex lichtempfindlich. Dann ließ er in die Neuronen Lichtpulse scheinen – in einem Muster, dass der Hirnaktivität von gesunden Mäusen entsprach, die eine neue Umgebung erkunden. Die Wirkung glich denen von Antidepressiva: Die so behandelten Mäuse begannen, sich wieder unter ihre Artgenossen zu mischen.

„Eine Depression ist eine komplexe Mischung aus Verhaltensweisen“, sagt Covington. „Wenn Sie den Präfrontalen Cortex stimulieren, können sie soziales Verhalten wiederherstellen.“ Als nächstes will er das Problem mangelnden Tatendrangs angehen, das ebenfalls ein Symptom für eine Depression ist.

Ob die Optogenetik am Ende selbst zur Therapie wird oder nur eine experimentelle wissenschaftliche Methode bleibt, ist noch nicht abzusehen. Zumindest zwei Gruppen haben Ersteres im Sinn. MIT-Forscher Ed Boyden hat ein Start-up gegründet, das mittels Optogenetik Sehbehinderungen behandeln will. Dazu sollen beschädigte Netzhautzellen wieder lichtempfindlich gemacht werden. Ein Start-up der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, will hingegen die Technologie nutzen, um Querschnittsgelähmten wieder die Kontrolle über ihre Harnblase wiederzugeben. (nbo)