Forscher in den Vereinigten Staaten haben eine neue Methode zur Steuerung der Gehirnkreise entwickelt, die mit komplexen Tierverhalten verbunden sind, indem sie Gentechnik einsetzen, um ein magnetisiertes Protein zu erzeugen, das bestimmte Gruppen von Nervenzellen aus der Ferne aktiviert.

Zu verstehen, wie das Gehirn Verhalten erzeugt, ist eines der ultimativen Ziele der Neurowissenschaft – und eine ihrer schwierigsten Fragen. In den letzten Jahren haben Forscher eine Reihe von Methoden entwickelt, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Gruppen von Neuronen fernzusteuern und die Funktionsweise neuronaler Schaltkreise zu untersuchen.

Die stärkste davon ist eine Methode namens Optogenetik, die es Forschern ermöglicht, Populationen verwandter Neuronen auf einer Millisekunde-für-Millisekunde-Zeitskala mit Pulsen von Laserlicht ein- oder auszuschalten. Eine weitere kürzlich entwickelte Methode, die Chemogenetik, verwendet technische Proteine, die von Designer-Medikamenten aktiviert werden und auf bestimmte Zelltypen ausgerichtet werden können.

Obwohl leistungsstark, haben beide Methoden Nachteile. Die Optogenetik ist invasiv und erfordert das Einsetzen von optischen Fasern, die die Lichtimpulse in das Gehirn abgeben, und darüber hinaus ist das Ausmaß, in dem das Licht in das dichte Hirngewebe eindringt, stark begrenzt. Chemogenetische Ansätze überwinden diese beiden Einschränkungen, induzieren aber in der Regel biochemische Reaktionen, die mehrere Sekunden dauern, um Nervenzellen zu aktivieren.

Fernsteuerung der Hirnaktivität mit erhitzten Nanopartikeln

Die neue Technik, die in Ali GülersLabor an der University of Virginia in Charlottesville entwickelt und in einer Vorab-Online-Publikation in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience beschrieben wurde, ist nicht nur nicht-invasiv, sondern kann auch Neuronen schnell und reversibel aktivieren.

Mehrere frühere Studien haben gezeigt, dass Nervenzellproteine, die durch Hitze und mechanischen Druck aktiviert werden, so entwickelt werden können, dass sie empfindlich gegenüber Radiowellen und Magnetfeldern werden, indem sie sie an ein eisenspeicherndes Protein namens Ferritin oder an anorganische paramagnetische Partikel anheften. Diese Methoden stellen einen wichtigen Fortschritt dar – sie wurden beispielsweise bereits zur Regulierung des Blutzuckerspiegels bei Mäusen eingesetzt –, beinhalten aber mehrere Komponenten, die separat eingeführt werden müssen.

Die neue Technik baut auf dieser früheren Arbeit auf und basiert auf einem Protein namens TRPV4, das sowohl temperatur- als auch dehnbar ist. Diese Reize öffnen seine zentrale Pore, so dass elektrischer Strom durch die Zellmembran fließen kann; Dies ruft nervöse Impulse hervor, die ins Rückenmark und dann bis zum Gehirn wandern.

Güler und seine Kollegen argumentierten, dass magnetische Drehmomentkräfte (oder rotierende) Kräfte TRPV4 aktivieren könnten, indem sie seine zentrale Pore öffnen, und so nutzten sie Gentechnik, um das Protein mit dem paramagnetischen Bereich von Ferritin zu verschmelzen, zusammen mit kurzen DNA-Sequenzen, die Zellen signalisieren, Proteine zur Nervenzellmembran zu transportieren und in sie einzufügen.

Als sie dieses genetische Konstrukt in menschliche embryonale Nierenzellen einführten, die in Petrischalen wuchsen, synthetisierten die Zellen das „Magneto“-Protein und fügten es in ihre Membran ein. Die Anwendung eines Magnetfeldes aktivierte das entwickelte TRPV1-Protein wie eine vorübergehende Erhöhung der Calciumionenkonzentration in den Zellen zeigt, die mit einem Fluoreszenzmikroskop nachgewiesen wurden.

Als nächstes fügten die Forscher die Magneto-DNA-Sequenz in das Genom eines Virus ein, zusammen mit dem Gen, das grünes fluoreszierendes Protein kodiert, und regulatorischen DNA-Sequenzen, die dazu führen, dass das Konstrukt nur in bestimmten Arten von Neuronen exprimiert wird. Anschließend injizierten sie das Virus in die Gehirne von Mäusen, zielten auf den entorhinalen Kortex und sezierten die Gehirne der Tiere, um die Zellen zu identifizieren, die grüne Fluoreszenz emittierten. Mit Hilfe von Mikroelektroden zeigten sie dann, dass die Anwendung eines Magnetfeldes auf die Gehirnscheiben Magneto aktivierte, so dass die Zellen nervöse Impulse erzeugen.

Um festzustellen, ob Magneto verwendet werden kann, um neuronale Aktivität bei lebenden Tieren zu manipulieren, injizierten sie Magneto in Zebrafischlarven und zielten auf Neuronen im Rumpf und Schwanz, die normalerweise eine Fluchtreaktion steuern. Anschließend legten sie die Zebrafischlarven in ein speziell gebautes magnetisiertes Aquarium und stellten fest, dass die Exposition bei einem Magnetfeld kollusiierende Manöver induzierte, die denen ähnelten, die während der Fluchtreaktion auftreten. (Dieses Experiment umfasste insgesamt neun Zebrafischlarven, und nachfolgende Analysen ergaben, dass jede Larve etwa 5 Neuronen enthielt, die Magneto exzättierten.)

Forscher lesen und schreiben Hirnaktivität mit Licht

In einem letzten Experiment injizierten die Forscher Magneto in das Striatum frei verhaltender Mäuse, einer tiefen Hirnstruktur, die Dopamin produzierende Neuronen enthält, die an Belohnung und Motivation beteiligt sind, und legten die Tiere dann in ein Gerät, das in magnetisierte nicht magnetisierte Abschnitte aufgeteilt war. Mäuse, die Magneto exemitten, verbrachten viel mehr Zeit in den magnetisierten Bereichen als Mäuse, die dies nicht taten, da die Aktivierung des Proteins dazu führte, dass die striatalen Neuronen, die es ausdrückten, Dopamin freisetzen, so dass die Mäuse fanden, dass sie sich in diesen Bereichen lohnen. Dies zeigt, dass Magneto das Abfeuern von Neuronen tief im Gehirn fernsteuern und auch komplexe Verhaltensweisen steuern kann.

Der Neurowissenschaftler Steve Ramirez von der Harvard University, der die Optogenetik nutzt, um Erinnerungen im Gehirn von Mäusen zu manipulieren, sagt, die Studie sei „badass„.

„Frühere Versuche [mit Magneten zur Steuerung der neuronalen Aktivität] benötigten mehrere Komponenten, damit das System funktionierte – das Injizieren magnetischer Partikel, das Injizieren eines Virus, der einen hitzeempfindlichen Kanal ausdrückt, [oder] die Kopffixierung des Tieres, so dass eine Spule Veränderungen im Magnetismus auslösen könnte“, erklärt er. „Das Problem bei einem Mehrkomponentensystem ist, dass für jedes einzelne Stück so viel Platz zum Zerbrechen ist.“

„Dieses System ist ein einziges, elegantes Virus, das überall im Gehirn injiziert werden kann, was es technisch einfacher und unwahrscheinlicher macht, dass Glocken und Pfeifen zusammenbrechen“, fügt er hinzu, „und ihre Verhaltensausrüstung wurde geschickt entwickelt, um Magnete zu enthalten, wo dies angebracht ist, damit sich die Tiere frei bewegen können.“

Die „Magnetogenetik“ ist daher eine wichtige Ergänzung zum Werkzeugkasten der Neurowissenschaftler, der zweifellos weiterentwickelt werden wird und Forschern neue Möglichkeiten bietet, die Entwicklung und Funktion des Gehirns zu untersuchen.

Verweis

Wheeler, M. A., et al. (2016). Genetisch gezielte magnetische Kontrolle des Nervensystems. Nat. Neurosci., DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract]

Quelle: theguardian.com vom 24.03.2016

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