Hirnforschung Lichtschalter für Nervenzellen

Von Rainer Kurlemann 

Die Optogenetik ist ein Mix aus optischen Technologien und Genetik. Hirnforscher können damit Nervenzellen präzise steuern. Die Wissenschaft jedenfalls ist elektrisiert: pro Jahr verdoppelt sich die Zahl der Mitstreiter. Die Forschung steht noch am Anfang.

Mit Optogenetik kann man  Nervenzellen präzise steuern. Foto: Goshen, Deisseroth
Mit Optogenetik kann man Nervenzellen präzise steuern. Foto: Goshen, Deisseroth

Stuttgart - Das Verfahren ist einfach, liefert aber viele Erkenntnisse über die Abläufe in einem Mäusegehirn: Wissenschaftler setzen in die Nervenzellen der Tiere mit einem Trick einen winzigen Schalter ein, der auf Licht einer bestimmte Farbe reagiert. Und tatsächlich: wenn das farbige Licht über ihrem Kopf leuchtete, konnten die Mäuse ihre Aufgaben nicht mehr so gut erledigen. Ihre Fähigkeit, etwas aus dem eigenen Verhalten zu lernen, ließ deutlich nach – als ob mit dem Schalter die Lernfähigkeit der Tiere geregelt werden konnte. Genau das hatten Andreas Lüthi von der Universität Basel und Johannes Letzkus vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt erhofft, denn damit konnten sie die Bedeutung zweier Botenstoffe im Gehirn identifizieren, die für das Lernen wichtig sind.

Das Verständnis des Mäusegehirns hat sich in den vergangenen Jahren gewaltig verbessert, seit Wissenschaftler bestimmte Typen von Nervenzellen gezielt steuern können. Optogenetik heißt die neue Technik: Mit Hilfe eines Virus, der üblicherweise Erkältungskrankheiten überträgt, schleusen die Forscher ein Gen in die Nervenzellen ein, das den Code für das Schalterprotein beinhaltet. Die Zelle beginnt mit dessen Produktion und fügt das Protein in die Zellwand ein. Bei Licht öffnet der Schalter dann einen Ionenkanal, durch den geladene Teilchen fließen: Das löst den elektrischen Impuls aus, mit dem sich Neuronen im Gehirn verständigen.

Neues Werkzeug entdeckt

Seit Anfang des Jahres steht den Neurowissenschaftlern ein weiteres Werkzeug zur Verfügung. Unabhängig voneinander haben eine amerikanische und eine deutsche Forschergruppe ein Verfahren entwickelt, mit dem sie Nervenzellen des Gehirns auch ausschalten können. „Wir haben einen Schalter umgebaut, den wir schon kannten“, erklärt der Biophysiker Peter Hegemann von der Humboldt-Universität Berlin, „in seiner bisherigen Funktion hat er die Nervenzellen eingeschaltet.“ Für die Forscher aus Hamburg, Berlin und Karlsruhe war es eine große Überraschung, dass eine kleine Veränderung in der Struktur der lichtempfindlichen Proteine ausreicht, um deren Funktion umzukehren. Statt positive Ionen lässt er jetzt die negative Ionen passieren.

Peter Hegemann ist kein Neurowissenschaftler und trotzdem darf man ihn als den Vater des neuen Forschungsgebiets bezeichnen. Das war Ende der 90er-Jahre nicht abzusehen: Der Biophysiker untersuchte damals die Chlamydomonas, eine Grünalge, für die sich niemand so recht interessierte. Dabei entdeckte er die Kanal-Rhodopsine, so nennen die Wissenschaftler die Proteine, die lichtgesteuert Ionenkanäle öffnen. Hegemann erkannte das Potenzial dieser Moleküle, suchte nach dem genetischen Code für ihre Produktion, ermittelte die Struktur und ließ ihr Verhalten mit Computern simulieren. Jeder Schritt brachte mehr Wissenschaftler in das vielversprechende Projekt. Als 2005 der amerikanische Neurologe Karl Deisseroth die Kanal-Rhodopsine erstmals in Nervenzellen einbaute und diese mit Licht anregen konnte, gelang der Durchbruch.

Forscher sind elektrisiert

Die Optogenetik elektrisiert die Wissenschaft, die Zahl der Forscher verdoppelt sich etwa alle zwei Jahre. In der ersten Generation dieser Technik musste den Versuchstieren noch ein Lichtleiter ins Gehirn eingepflanzt werden. Inzwischen sind die Schalter so empfindlich, dass Mäuse, Würmer und Fische den Lichtimpuls auch durch die Haut und die dünne Schädeldecke empfangen und sich ganz normal bewegen können. Es gibt verschiedene Schalter für die unterschiedlichen Farben des Lichtes, mittlerweile werden die natürlichen Kanal-Rhodopsine am Computer simuliert und die Auswirkungen eines leicht veränderten Designs berechnet.