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Lichtschalter für Neuronen
Erst vor fünf Jahren entdeckten Wissenschaftler der Stanford University, dass Neuronen, denen ein lichtempfindliches Gen aus Algen injiziert wurde, mit einem Lichtschalter ein- oder ausgeschaltet werden können. Diese Entdeckung hat seither Hunderte von Laboren auf das junge Gebiet der Optogenetik gemacht. Heute verwenden Forscher auf der ganzen Welt diese genetischen Lichtschalter, um bestimmte Neuronen in lebenden Tieren zu steuern und ihre Rolle bei einer wachsenden Reihe von Gehirnfunktionen und -krankheiten zu beobachten, darunter Gedächtnis, Sucht, Depression, Parkinson-Krankheit und Rückenmarksverletzungen.
Den Weg beleuchten: Neue Techniken der Optogenetik machen es möglich, einzelne Neuronen und ganze Gehirnschaltkreise mit Lichtimpulsen zu steuern. Hier liefern Glasfaserkabel blaues Licht an die Belohnungszentren des Mausgehirns und konditionieren Mäuse so, dass sie eine Kammer einer anderen vorziehen.
Jetzt Karl Deisseroth , einer der Pioniere dieser Technik, hat dem optogenetischen Repertoire einige neue Werkzeuge hinzugefügt, die die Erforschung solcher Krankheiten mit Lichtgeschwindigkeit voranbringen können. Eine molekulare Technik, die anstelle einer einzelnen Zelle ganze Schaltkreise von Neuronen steuert, wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Rolle spezifischer neuronaler Netzwerke im Gehirn zu untersuchen. Eine neue Nahinfrarot-Technik, die Gehirnzellen im tiefen Gewebe erreicht, könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, diese Techniken nicht-invasiv einzusetzen – derzeit müssen sie ein Glasfaserkabel in das Gehirn eines Tieres implantieren, um diese Zellen mit Licht zu aktivieren. Und ein verbesserter Ausschalter, der die Zielneuronen lichtempfindlicher macht, ermöglicht eine engere neuronale Kontrolle. Die Gruppe veröffentlichte ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 2. April der Zeitschrift Zelle .
Bisher konzentrierten sich Wissenschaftler vor allem auf zwei Lichtschalter oder Opsine, um Neuronen zu aktivieren oder zu hemmen. Das erste, Channelrhodopsin, ist ein Protein, das in den Zellmembranen von Grünalgen vorkommt. Wenn sie blauem Licht ausgesetzt werden, öffnen diese Proteine Membrankanäle und lassen Natrium- und Calciumionen ein. Wenn sie gentechnisch in Säugetierneuronen eingebaut werden, verursachen diese Proteine ähnliche Ioneneinflüsse und aktivieren Neuronen. Der zweite Lichtschalter, eine Ionenpumpe namens Halorhodopsin, lässt als Reaktion auf gelbes Licht Chloridionen ein und bringt das Neuron zum Schweigen.
Der Halorhodopsin-Lichtschalter hat jedoch einige Nachteile. Es bringt Neuronen nicht allzu effektiv zum Schweigen, und es kann sich ansammeln und toxische Wirkungen in Gehirnzellen haben. Das Team um Deisseroth hat einen effektiveren Ausschalter entwickelt, indem es sich ein Phänomen namens Membrantransport zu Nutze macht. Anstatt Halorhodopsin in der Zelle zu belassen, hat Deisseroth im Wesentlichen molekulare Anweisungen entwickelt, um die Opsine durch die Zelle zur äußeren Membran zu leiten, wo sie leichter auf Licht und offene Ionenkanäle reagieren können, um Neuronen zu hemmen.
Proteine werden mit unglaublicher Komplexität durch eine Zelle transportiert und von Ort zu Ort transportiert, sagt Deisseroth. Wir mussten das Äquivalent von Postleitzahlen, DNA-Stücken auf den Opsins, bereitstellen, um sie korrekt an die Oberfläche der Membran zu transportieren. (Ed Boyden, Neurowissenschaftler am MIT und ein weiterer Pionier der Optogenetik, hat unter Verwendung von Proteinen aus Pilzen und Bakterien auch effektivere Ausschalter entwickelt.)
Das Team stellte fest, dass dieser neue Ausschalter 20-mal besser auf gelbes Licht reagiert als frühere Generationen. Die Forscher fanden auch heraus, dass, während Gelb der Sweet Spot entlang des Lichtspektrums zum Auslösen des Ausschalters zu sein scheint, auch rotes und nahes Infrarotlicht eine Wirkung haben können. Für Deisseroth legen diese Ergebnisse eine verlockende Aussicht nahe: Es ist bekannt, dass das Licht umso tiefer durch das Gewebe dringen kann, je näher es dem Infrarot kommt. Die Entwicklung eines Lichtschalters, der Neuronen als Reaktion auf Infrarot einschaltet, könnte die Türen zu einer präzisen Steuerung von Schaltkreisen tief im Gehirn öffnen und möglicherweise nicht-invasive Behandlungen von Krankheiten wie Parkinson und Depressionen ermöglichen.
Jerry Silver , Professor für Neurowissenschaften an der Case Western University, freut sich besonders über diesen neuen Ausschalter. Silver verwendet Optogenetik, um die Blasenkontrolle bei Rückenmarksverletzungen zu untersuchen, und verwendet Licht, um Nerven auszuschalten, die die Blase entspannen. Diese Nerven befinden sich in der unteren Wirbelsäule, einem besonders gefährdeten Bereich, und die aktuelle Generation von Halorhodopsinen benötigt eine hohe Lichtintensität, um eine messbare Wirkung zu erzielen.
Wir machten uns Sorgen, dass wir viel Licht brauchen würden, was viel Wärme erzeugt, sagt Silver. Mit diesen neuen, empfindlicheren Werkzeugen benötigen wir möglicherweise nicht so viel Licht, wodurch weniger Wärme erzeugt wird und das Licht viel weiter in das Gewebe eindringen kann, und deshalb freue ich mich so auf diese neue Generation.
Neben der Entwicklung eines leistungsstarken Ausschalters überwand Deisseroths Team ein weiteres großes Hindernis in der Optogenetik – die Aktivierung eines ganzen neuronalen Schaltkreises. Während Wissenschaftler Lichtschalter genetisch auf bestimmte Arten von Neuronen ausrichten können, ist es schwieriger, die Zellen stromabwärts oder stromaufwärts dieser Neuronen zu identifizieren und genetisch zu manipulieren. Die Möglichkeit, ganze Schaltkreise von Neuronen gleichzeitig mit Lichtgeschwindigkeit zu steuern, könnte Wissenschaftlern ein besseres Verständnis der neuronalen Verbindungen vermitteln, die an Verhaltensaufgaben wie Lernen und Gedächtnis und Krankheiten wie Depressionen und Zwangsstörungen beteiligt sind.
Um einen neuronalen Schaltkreis zu aktivieren, injizierte Deisseroth zunächst einen genetischen Lichtschalter in ein Motoneuron einer Maus. Er manipulierte den Schalter so, dass er nur in Gegenwart eines anderen Moleküls, CRE, funktionierte. Deisseroth injizierte CRE zusammen mit einem Handelsmolekül in eine andere Region des Mausgehirns. Das Trafficking-Molekül schleppt CRE körperlich von Zelle zu Zelle und verfolgt einen Weg zurück zum Zielneuron, sagt er. Das CRE entsperrt den Lichtschalter und bei blauem Licht wird das Neuron – und der gesamte Schaltkreis – aktiviert.
Wir denken, dass dies die größten verbleibenden Einschränkungen der Optogenetik überwindet oder einen Schritt in diese Richtung macht, sagt Deisseroth. Die große Herausforderung besteht darin, diese Werkzeuge in Krankheitsmodelle einzubringen, und ich sehe Patienten mit Autismus und Depression, und wir werden [diese Werkzeuge verwenden] suchen und versuchen, zu einem Kreislaufverständnis dieser Krankheiten zu gelangen.