Bewusstsein steuert Gene

Hirnströme regulieren einen genetischen Schalter und aktivieren ein Implantat, das Enzyme in die Blutbahn ausschüttet

Gehirn-Computer-Schnittstellen können Neuroprothesen steuern. Schweizer Forscher haben diesen Ansatz jetzt auf die synthetische Biologie übertragen: Sie konstruierten einen genetischen Schalter, der auf Lichtsignale reagiert und die Produktion eines Enzyms auslöst. Hirnströme können diesen Schalter aktivieren, selbst wenn er als Teil eines Implantats in den Körper einer Maus eingepflanzt wird. Dieses Verfahren könnte in Zukunft dazu dienen, die Gabe von Medikamenten durch das Bewusstsein zu lenken.

Die Testperson sitzt in einem komfortablen Sessel und blickt auf den Bildschirm. Elektroden auf ihrem Kopf messen die Hirnströme, und ein Computer sucht nach Mustern, die auf Konzentration oder Meditation hindeuten. Beim Überschreiten einer Schwelle sendet der Rechner ein Signal an eine Apparatur, in der eine Maus über einem starken Magneten sitzt. Das Magnetfeld baut sich auf, und ein Implantat im Körper der Maus beginnt rot zu leuchten. Gene werden angeschaltet, und menschliche Zellen in dem Implantat beginnen, ein Enzym in die Blutbahn auszuschütten. Was nach Science Fiction klingt, ist vor kurzem in der Schweiz Realität geworden: Erstmals hat ein Mensch mit seinem Bewusstsein die Aktivität von Genen gesteuert.

Gedanken steuern die Stärke des Nah-Infrarotlichts, welches die Bildung eines Proteins anregt. Bild: M. Fussenegger, ETH Zürich

Erdacht wurde dieses Experiment im Labor von Martin Fussenegger an der ETH Zürich. Fussenegger und seine Mitarbeiter wollen die synthetische Biologie für die Medizin nutzbar machen, und manche ihrer Ideen greifen der Zukunft weit voraus. So auch in ihrer jüngsten Arbeit (Ref. 1): Die Forscher kombinierten Techniken aus verschiedenen Forschungszweigen, um die Regulation synthetischer Schaltkreise einer neuen Form der Kontrolle zu unterwerfen.

Licht aktiviert genetischen Schalter

Die Schweizer Wissenschaftler sind Spezialisten für die synthetische Biologie, doch diesmal griffen sie auch auf Techniken der Optogenetik und Neuroprothetik zurück. Ausgangspunkt ist eine Hirn-Computer-Schnittstelle: Eine Elektrode zeichnet die menschliche Hirnaktivität auf, ein Computer analysiert daraufhin die Muster und sucht nach eindeutigen Signalen. Diese werden bereits genutzt, um eine Vielzahl von Neuroprothesen zu steuern: mechanische Greifhände, Rollstühle von Gelähmten oder auch nur den Cursor auf einem Bildschirm. Die Schweizer verwendeten diese Technik, um einen Lichtimpuls zu erzeugen.

Licht kann genetische Prozesse steuern, wie das junge Feld der Optogenetik erfolgreich bewiesen hat. Das Labor von Fussenegger knüpfte hier an und konstruierte aus drei Genen ein Schaltelement, das durch Licht aktiviert wird. Als Lichtrezeptor diente ein Protein aus dem Bakterium Rhodobacter sphaeroides, das Infrarotlicht erkennt und daraufhin einen kleinen Botenstoff produziert. Der Botenstoff bindet an das Adaptor-Protein STING, den zweiten Teil des Schalters. STING löst eine Signalkette aus, an deren Ende die Aktivierung von Genen steht, die eine charakteristische DNA-Sequenz enthalten. Koppelt man die Sequenz an ein beliebiges Gen, wird dieses mit dem Schalter verbunden. Als Modell-Gen wählten die Schweizer die Alkalische Phosphatase: Dieses Enzym lässt sich leicht im Blut nachweisen und ist daher gut geeignet, um die Funktion des Schalters zu untersuchen.

Das synthetische Schaltelement wurde dann in menschliche Zelllinien eingefügt. In der Petrischale funktionierte es problemlos, doch der eigentliche Test war die Implantation in ein Versuchstier, das sich frei im Käfig bewegen kann. Dazu nutzten die Forscher ein Kulturgefäß aus Plastik, das mit einer halbdurchlässigen Membran versehen war: Einzelne Proteine konnten die Membran passieren, ganze Zellen jedoch nicht. Am oberen Ende des Gefäßes saß eine Infrarot-Diode, an die eine kleine Spule angeschlossen war. Die gesamte Vorrichtung war etwa zwei Zentimeter lang: Gerade noch klein genug, um sie Mäusen unter die Haut zu implantieren.

Hirnströme setzen Enzyme frei

Damit waren alle Komponenten zusammen, um den eigentlichen Versuch zu starten. Testpersonen setzten sich Elektroden auf, die einem Kopfhörer ähnelten: An einem einzelnen Punkt, kurz über der linken Augenbraue, wurden die Hirnströme aufgezeichnet. Dann konzentrierten sie sich auf das Computerspiel Minesweeper, oder sie betrachteten Landschaftsbilder und verlangsamten dabei die Atmung, um sich in einen meditativen Zustand zu versetzen. In beiden Fällen wies die Gehirnaktivität eindeutige Muster auf, die von einer kleinen Steuereinheit detektiert wurden. Beim Überschreiten eines Schwellwerts sendete die Steuereinheit ein Signal an einen Generator, der ein starkes Magnetfeld erzeugte.

Auf dem Feldgenerator stand ein Käfig, in dem sich die Maus mit dem Implantat frei bewegen konnte. Die Spule im Implantat interagierte mit dem Magnetfeld und versorgte die Infrarot-Diode mit Strom. Das Licht setzte dann den genetischen Schalter in Gang. Der Versuch war erfolgreich: Innerhalb eines Tages waren große Mengen des freigesetzten Enzyms im Blut der Maus nachweisbar.

Rein wissenschaftlich mag das wenig aufregend sein: Es wurde nichts entdeckt, was der Grundlagenforschung oder Medizin neue Impulse verleiht, und der technische Fortschritt hielt sich ebenfalls in Grenzen. Doch den Reiz der Studie mindert das kaum, denn der liegt in der Vision der Forscher. Sie kombinierten vorhandene Techniken, um ein neuartiges Konzept zu verwirklichen - die mentale Kontrolle von genetische Vorgängen.

Ist auch ein praktischer Nutzen denkbar? Viele körpereigene Substanzen dienen als Medikamente, und implantierte Zellen könnten deren Produktion übernehmen. Insulin zum Beispiel: Implantate, die vom Bewusstsein gesteuert werden, könnten Spritzen und Mikropumpen ersetzen. Es wäre auch möglich, bewusste Entscheidungen zu überspringen und die Medikation direkt an das Auftreten der Störung zu koppeln. Denkbar wäre dies etwa bei Epilepsie: Hirnmuster, die auf einen drohenden Anfall hinweisen, könnten unmittelbar die Freisetzung von Medikamenten auslösen.

Die Forscher betonen selbst, dass sie dabei eine ferne Zukunft vor Augen haben. Doch wenn nicht alles täuscht, werden die relevanten Forschungsgebiete - Neuroprothetik, synthetische Biologie und Optogenetik - bis dahin große Fortschritte machen. Die einzelnen Komponenten dieser Versuchsanordnung werden bald kleiner und billiger werden. Irgendwann werden sie auch so verlässlich reagieren, dass erste Versuche mit Menschen denkbar werden. Und dann müssen die Teile nur noch zusammengesetzt werden, um die Vision von Fussenegger und seinen Mitarbeitern zu verwirklichen.

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