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Wie Hirnforscher ihre Labormäuse überlisten
Wissenschaftler können jetzt die Gehirne von Labortieren mikroskopisch genau beobachten, während die Tiere eine Aktion ausführen. Insbesondere eine Technik namens Zwei-Photonen-Bildgebung ermöglicht es Neurowissenschaftlern, Tausende von Neuronen zu beobachten, die zusammenarbeiten, um Informationen zu kodieren.
Eine Maus ist bereit, ein Virtual-Reality-System zu betreten, in dem ihr Gehirn abgebildet werden kann, während sie glaubt, durch ein Labyrinth zu laufen.
Das Problem ist, dass die Zwei-Photonen-Bildgebung erfordert, dass der Kopf des Tieres an Ort und Stelle bleibt. Das würde anscheinend ausschließen, das Gehirn zu beobachten, während das Tier irgendetwas von großem Interesse tut.
Eine kreative Lösung ist Virtual Reality – eine computergenerierte Umgebung, die über ein Headset erlebt wird. Vor einigen Jahren begannen Neurowissenschaftler mit der Entwicklung winziger Virtual-Reality-Systeme, um Mäuse glauben zu machen, sie würden durch ein Labyrinth navigieren, während sie in Wirklichkeit auf einem großen Ball mit fixiertem Kopf liefen.
Bisher liefen Mäuse jedoch erst nach wochenlangem Training auf dem Ball. Nicholas Sofroniew, der mit anderen am HHMI Janelia Campus in Virginia zusammenarbeitete, schuf ein taktiles virtuelles Labyrinth, das die Mäuse sofort zu verstehen scheinen: Sie navigieren ohne Training durch virtuelle Korridore. In jüngerer Zeit hat er mit Jeremy Freeman zusammengearbeitet, um die Komplexität des Systems zu erweitern.
Es wurde entwickelt, um die Art und Weise auszunutzen, wie Mäuse in der Natur navigieren, sagt Freeman. Anstatt sich in erster Linie auf ihre Augen zu verlassen, verlassen sich Mäuse stark auf ihre Schnurrhaare, um sich durch die Welt zu tasten.
In der Schnurrbart-orientierten virtuellen Realität bewegen sich die Wände, um der Maus die Illusion zu geben, dass sie durch gewundene Korridore rennt, sagt er. Aber die ganze Zeit über ist der Kopf des Nagetiers stationär.
Hochauflösende Bilder zeigen Neuronen in Aktion, während die Maus durch das Virtual-Reality-System navigiert.
Karel Svoboda, ein leitender Forscher des Projekts, sagt, sie hätten bereits gelernt, dass je nach Abstand zwischen dem Kopf der Maus und der Wand unterschiedliche Neuronen feuern. Das Gehirn scheint Eingaben von den Schnurrhaaren in eine Form zu übersetzen, die die Maus verwenden kann.
Die bildgebende Technik, an deren Entwicklung Svoboda beteiligt war, basiert auf fluoreszierenden Proteinen von Quallen. Die Forscher verändern die Mäuse genetisch so, dass ihre Zellen dieses fluoreszierende Protein in einer Form produzieren, die aktiviert wird, wenn sie Kalziumionen ausgesetzt wird. Neuronen kommunizieren, indem sie Kalziumionen übertragen, sodass die markierten Neuronen zusammen mit der Gehirnaktivität aufleuchten. Um zu sehen und aufzuzeichnen, was vor sich geht, ersetzen die Forscher einen Teil des Schädels der Tiere durch ein kleines Fenster.
Längst könnten Wissenschaftler mit Elektroden einzelne Neuronen abhören, sagt Svoboda, aber das sei, als könne man bei einer Symphonie nur ein Instrument hören. Jetzt, sagt er, können sie beobachten, wie Informationen durch das Gehirn fließen, während die Maus lernt, mit einer neuen, wenn auch virtuellen Umgebung umzugehen.
Auch wenn sich der Kopf der Maus nicht bewegt, ist er an dem beteiligt, was Svoboda aktive Empfindung nennt. Wir tun es, wenn wir unsere Augen bewegen, um unsere Umgebung zu erkunden. Mäuse tun das auch, und sie bewegen auch ihre Schnurrhaare, um nach Gefühl zu erkunden. Das Mausgehirn scheint Sätze von Neuronen zu verwenden, um Entfernungen darzustellen, sagt er.
Letztendlich hoffen die Forscher zu verstehen, wie das Gehirn Informationen verarbeitet. Das könnte helfen aufzudecken, was bei Störungen wie Autismus passiert. „Wir wollen verstehen, wie Gehirne alles tun, was mit Wahrnehmung, Lernen und Entscheidungsfindung zu tun hat“, sagt Freeman.
Was sie wirklich möchten, ist, den Mechanismus des Lernens zu verstehen und die Natur der Intelligenz zu verstehen. Das ist ein schwieriges Problem, sagt er, aber der Versuch, das Gehirn zu verstehen, während man immersive Umgebungen erkundet, ist eine unserer besten Aufnahmen.