Frontiers for Young Minds

Spezielle Zellen im Gehirn und im Nervensystem, die so genannten Neuronen, arbeiten zusammen, um alle unsere Gedanken und Verhaltensweisen zu erzeugen. Um zu verstehen, wie das Gehirn das Verhalten steuert, müssen wir verstehen, wie die Neuronen kommunizieren. Das menschliche Gehirn ist sehr komplex, aber viele der Eigenschaften des menschlichen Gehirns ähneln denen anderer Tiere. Das bedeutet, dass Neurowissenschaftler (Wissenschaftler, die das Gehirn und das Nervensystem erforschen) einfache Tiere verwenden können, um neue Erkenntnisse über das menschliche Gehirn zu gewinnen. Auf diese Weise wurde die Kommunikation zwischen Neuronen entdeckt.

Wie kommunizieren Neuronen miteinander?

Neuronen kommunizieren durch eine Kombination aus elektrischer und chemischer Aktivität. Frühe Wissenschaftler entdeckten dies durch Beobachtungen und geschickte Experimente. In den späten 1700er Jahren ging ein italienischer Wissenschaftler namens Luigi Galvani während eines Gewitters über einen Markt. Er sah einige Froschschenkel, die zum Verkauf standen, und bemerkte, dass sie zuckten. Er stellte die Hypothese auf, dass die Elektrizität des Gewitters die Nerven in den Froschschenkeln aktivierte. Er beschloss, diese Hypothese in seinem Labor zu testen. Galvani benutzte einen Gegenstand, durch den elektrischer Strom fließen kann, eine so genannte Elektrode, um einen elektrischen Strom an den Froschnerv zu leiten. Dies führte dazu, dass das Froschbein zuckte. Dies war die erste Studie zur elektrischen Stimulation in den Neurowissenschaften. Daraus schloss Galvani, dass Neuronen elektrische Signale nutzen können, um Informationen zu übermitteln. Das ist wichtig zu wissen! Da wir nun wissen, wie Neuronen miteinander kommunizieren, können wir beginnen, ihre Sprache zu sprechen. Wir können elektrische Signale verwenden, um einige Neuronen einzuschalten und zu sehen, was dann passiert. Genau damit haben die Wissenschaftler begonnen.

Erst in den 1930er Jahren wurde das menschliche Gehirn durch elektrische Stimulation kartiert. Dr. Wilder Penfield, ein Gehirnchirurg, arbeitete mit Patienten, die an Epilepsie litten. Epilepsie verursacht abnorme elektrische Signale im Gehirn und kann sehr gefährlich sein. In extremen Fällen ist eine Gehirnoperation erforderlich, um die Epilepsie zu stoppen. Dr. Penfield wollte die Gehirne seiner Patienten kartieren, um herauszufinden, welche Teile des Gehirns am wichtigsten sind. Dies würde ihm helfen zu wissen, welche Hirnbereiche er nicht operieren sollte. Um das Gehirn abzubilden, benutzte er elektrische Stimulation, genau wie Galvani es getan hatte. Er führte eine kleine Elektrode in die motorischen (Bewegungs-)Bereiche des Gehirns ein. Dann sendete er ein kleines elektrisches Signal und beobachtete die Bewegungen des Patienten. Die Stimulation in einem Bereich des Gehirns verursachte ein Fingerzucken, während die Stimulation in einem etwas anderen Bereich des Gehirns ein Fußzucken verursachte. Dies führte Dr. Penfield zu der Erkenntnis, dass bestimmte Bereiche des Gehirns ganz bestimmte Bereiche des Körpers steuern. Dr. Penfield stellte fest, dass die Lage der motorischen Bereiche des Gehirns bei allen seinen Patienten ähnlich war. Er erstellte Diagramme seiner Ergebnisse, die uns die erste funktionelle Karte der motorischen Bereiche des menschlichen Gehirns lieferten. Die funktionellen Karten von Dr. Penfield, die als Homunkulus bekannt sind, werden noch heute verwendet.

Seit den 1930er Jahren haben sich die Experimente zur Hirnstimulation verändert. Elektrische Stimulationsstudien haben einige Nachteile. Ein Problem ist, dass das Gehirn geschädigt werden könnte, wenn eine Elektrode eingeführt wird. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die elektrische Stimulation das Gewebe in einer sehr allgemeinen, nicht selektiven Weise aktiviert (Abbildung 1A). Es ist, als würde man einen Bulldozer benutzen, wenn eine Schaufel ausreicht – der Bulldozer ist zwar effektiv, aber nicht sehr präzise oder vorsichtig. Im Jahr 2005 wurde eine neue Technik entwickelt, die eine präzisere Hirnstimulation ermöglicht. Diese Technik wird Optogenetik genannt.

Was ist Optogenetik?

Optogenetik ist eine Methode zur Steuerung der Aktivität von Neuronen durch Licht und Gentechnik. Die Gentechnik ist ein Prozess, bei dem Wissenschaftler die Informationen im genetischen Code (den Bauplänen) eines Lebewesens verändern. Bei optogenetischen Studien nehmen die Wissenschaftler den genetischen Code der Neuronen, die sie untersuchen wollen, und fügen einen neuen Teil des Codes hinzu. Der neue Code ermöglicht es diesen Neuronen, spezielle Proteine, so genannte Opsine, herzustellen, die auf Licht reagieren. Opsine kommen in der Natur vor und wurden zuerst in Algen entdeckt, die diese Proteine nutzen, um sich in Richtung Licht zu bewegen. Aber wie kommt das Opsin in das Neuron? Dazu sind einige spezielle Labortechniken erforderlich. Betrachten wir als Beispiel eine Maus. Um das Opsin in die Neuronen einer Maus zu bekommen, muss der genetische Code für das Opsin sorgfältig in den genetischen Code für die Neuronen der Maus eingefügt werden. Wenn dies richtig gemacht wird, sollte nun jedes Neuron in der Maus das Opsin haben. Da wir viel über den genetischen Code der Maus wissen, können wir wählen, wo wir das Opsin einfügen. Wir können den Code in eine bestimmte Art von Neuronen oder an einer bestimmten Stelle im Gehirn einfügen. Wir können genau auswählen, welche Neuronen wir kontrollieren wollen.

In den Neurowissenschaften ist das bekannteste Opsin das Channelrhodopsin-2 (ChR2). Dieses Opsin stammt aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii . ChR2 wird durch blaues Licht aktiviert, d. h. es funktioniert nur, wenn es mit blauem Licht bestrahlt wird, und reagiert nicht auf andere Arten von Licht. Wenn ChR2 in Neuronen eingebaut wird, bedeutet dies, dass die Neuronen mit blauem Licht eingeschaltet werden können. Die Neuronen mit ChR2 werden nur so lange eingeschaltet, wie das blaue Licht auf sie scheint. So können wir den Zeitpunkt der Neuronenaktivität genau steuern. Normalerweise werden Neuronen von blauem Licht nicht beeinflusst (Abbildung 1B), so dass nur die Neuronen mit ChR2 von blauem Licht beeinflusst werden (Abbildung 1C).

Optogenetische Stimulation ist spezifischer als elektrische Stimulation

Wie es viele Straßen in einer Stadt gibt, so gibt es auch viele Pfade im Gehirn. Wenn wir wissen wollen, wie Punkt A mit Punkt B in einer Stadt verbunden ist, können wir uns einfach alle Straßen ansehen und eine Straßenkarte zeichnen. Dies ist eine Art Strukturkarte: Sie hilft uns zu verstehen, wie die Straßen aufgebaut sind. Aber es gibt in der Regel viele Wege, um von A nach B zu kommen. Woher wissen wir also, welcher Weg der beliebteste ist? Um das herauszufinden, müssen wir uns die Autos ansehen, die auf den Straßen von A nach B fahren. Das ist eine funktionale Karte: Sie hilft uns zu verstehen, wie die Straßen genutzt werden. Im Gehirn sind die Neuronen wie die Straßen, und die Signale, die von Neuron zu Neuron wandern, sind wie die Autos. Normalerweise ist das Gehirn sehr aktiv, und es sind immer viele Autos auf den Straßen unterwegs. Überall auf der Karte des Gehirns starten und stoppen die Autos ihre Fahrten zu unterschiedlichen Zeiten. Weil es so viel Aktivität gibt, können wir keine Muster erkennen oder verstehen, wie die Dinge zusammenhängen. Um die Muster herauszufinden, wäre es nützlich, kontrollieren zu können, wann und wo die Autos ihre Fahrt beginnen.

Stellen Sie sich vor, in jeder Einfahrt unserer Stadt stehen Autos. Diese Autos warten auf ein Signal, um auf die Straße zu fahren (Abbildung 2A). Bei einer Studie mit elektrischer Stimulation können wir zwar kontrollieren, wann die Autos losfahren, aber wir haben keine große Kontrolle darüber, welche Autos auf die Straße fahren werden. Bei der elektrischen Stimulation ist die Stimulation allgemein. Alle Autos, die sich in der Nähe der Stimulation befinden, werden auf die Straße geschickt. Das bedeutet, dass es eine Menge Aktivitäten zu verfolgen gibt (Abbildung 2B). In einer optogenetischen Stimulationsstudie können wir genau auswählen, welche Autos wir auf die Straße schicken wollen und wann. Wir können eine Gruppe von Autos nach Standort auswählen (z. B. alle Autos in einem bestimmten Viertel) oder wir können nach Fahrzeugtyp auswählen (z. B. nur Lastwagen) (Abbildung 2C). Dies ist eine selektive Stimulation. Die Bewegung der Autos ist in diesem Fall viel leichter zu verfolgen. Man erfährt mehr darüber, wie bestimmte Autos auf den Straßen fahren.

Wie wird Optogenetik zur Kartierung des Gehirns eingesetzt?

Optogenetik kann auf verschiedene Weise zur Kartierung des Mäusegehirns eingesetzt werden (Übersicht in Ref. ).

Genauso wie wir auf einer Straßenkarte einer Stadt herauszoomen können, um die wichtigsten Autobahnen zu sehen (Abbildung 3A), oder in die Karte hineinzoomen können, um einen einzelnen Stadtteil zu sehen (Abbildung 3B), können wir auch in das Gehirn hinein- oder herauszoomen. Wir können aus dem Gehirn herauszoomen, um zu sehen, wie große Bereiche des Gehirns miteinander verbunden sind und zusammenarbeiten (Abbildung 3C). Diese Großansicht ist nützlich, wenn wir uns dafür interessieren, wie Informationen über große Entfernungen im Gehirn transportiert werden oder welche Bereiche des Gehirns miteinander verbunden sind. So gibt es beispielsweise in großen Städten in der Regel mehr Straßen und Autobahnen, die durch sie hindurchführen, weil viele Menschen in diese Städte reisen und sie verlassen. Mit Hilfe der Optogenetik, bei der ein Hirnbereich stimuliert und die Reaktionen in anderen Hirnbereichen aufgezeichnet werden, können wir herausfinden, welche Hirnbereiche am stärksten frequentiert sind. Dies ist wichtig, um zu verstehen, wie bestimmte Verhaltensweisen entstehen, könnte aber auch wichtig sein, um zu verstehen, was passiert, wenn das Gehirn in einem bestimmten Bereich geschädigt wird (z. B. wenn es in der vierten Straße einen Unfall gibt, wie wird der Verkehr umgeleitet?).

Wir können auch an das Gehirn heranzoomen, um zu sehen, wie sich einzelne Neuronen verbinden (Abbildung 3D). Mit Hilfe der Optogenetik können wir untersuchen, wie die Neuronen zusammenarbeiten, indem wir Licht verwenden, um einige Neuronen einzuschalten und die Reaktion der anderen Neuronen aufzuzeichnen. Diese detaillierte Ansicht ist nützlich, um zu verstehen, wie und wann die Neuronen miteinander kommunizieren. Dies könnte sehr nützlich sein, um Krankheiten zu untersuchen, bei denen die Kommunikation zwischen den Neuronen in einem bestimmten Bereich gestört ist, wie es bei einem Schlaganfall der Fall ist (mehr dazu im nächsten Abschnitt).

Das optogenetische Mapping eröffnet viele Möglichkeiten, die Funktionsweise des Gehirns zu untersuchen. In dem Maße, wie sich die optogenetischen Techniken verbessern und mehr Opsine geschaffen oder entdeckt werden, besteht die Möglichkeit einer noch besseren Kontrolle bei Studien zur Hirnstimulation. Vielleicht werden wir in der Lage sein, mehrere Opsine zu verwenden, um mehrere verschiedene Arten von Neuronen gleichzeitig zu kontrollieren. Da jedes Opsin auf eine bestimmte Art von Licht reagiert, könnten wir unterschiedliches Licht verwenden, um verschiedene Arten von Neuronen zu steuern. Tatsächlich schalten einige Opsine Neuronen aus, wenn die richtige Art von Licht vorhanden ist.

In unserem Beispiel der Kartierung von Autos in der Stadt könnten wir mehrere Signale verwenden, um die Bewegung der Autos zu steuern. Wir könnten eine Gruppe von Autos auf die Straße fahren lassen, wenn wir ein Signal geben (z.B. blaues Licht), und eine andere Gruppe von Autos auf die Straße fahren lassen, wenn wir ein anderes Signal geben (z.B. ein rotes Licht). Auf diese Weise könnten wir mit diesen beiden Gruppen von Autos experimentieren: Was passiert, wenn die Autos mit rotem Licht zuerst fahren? Was passiert, wenn die Autos mit blauem Licht zuerst fahren? Was passiert, wenn sie gleichzeitig losfahren? Dies würde uns helfen zu verstehen, wie diese verschiedenen Gruppen von Autos miteinander interagieren.

Wie wählt ein Wissenschaftler also die Technik oder das Opsin aus, das er verwenden möchte? Die Antwort hängt von der Fragestellung ab, die der Wissenschaftler untersuchen möchte. Im nächsten Abschnitt werden einige der Fragen beleuchtet, die mit Hilfe der Optogenetik untersucht wurden.

Jüngste Entdeckungen mit Hilfe der Optogenetik

Hirnforscher begannen 2005 mit der Optogenetik. Seitdem wurden optogenetische Methoden eingesetzt, um das Gehirn aus vielen verschiedenen Blickwinkeln zu untersuchen – von der Kommunikation eines Clusters einzelner Neuronen bis hin zu den Interaktionen zwischen großen Hirnregionen (Übersicht in Ref. ). In vielen anderen Studien wurden optogenetische Methoden eingesetzt, um verschiedene Themen und Fragen zu untersuchen. Einige aktuelle Fragen lauten: Wo sitzt die Angst im Gehirn? Wie werden Risiko und Belohnung berechnet? Wie werden Erinnerungen gespeichert? (Übersicht in Ref. ). Wir haben die Optogenetik bei Mäusen eingesetzt, um zu untersuchen, wie sich das Gehirn nach einem Schlaganfall verändert. Ein Schlaganfall entsteht, wenn die Blutzufuhr zu einem Bereich des Gehirns unterbrochen oder reduziert wird. Dies ist gefährlich, weil die Blutversorgung Sauerstoff und andere wichtige Nährstoffe transportiert, die das Gehirn zum Überleben braucht. Wenn ein Bereich des Gehirns zu lange ohne Sauerstoff auskommt, sterben die Neuronen in diesem Bereich schließlich ab. Dies führt zu Problemen für diesen Bereich des Gehirns und für alle anderen Gehirnbereiche, die mit ihm verbunden sind. In unserer Studie wollten wir untersuchen, wie sich ein kleiner Schlaganfall in einem Bereich des Gehirns auf viele andere Bereiche des Gehirns auswirkt. Zunächst haben wir mit Hilfe von ChR2 eine funktionelle Karte des Mäusegehirns gezeichnet. Wir verglichen die Karten zwischen Tieren mit einem Schlaganfall und ohne Schlaganfall. Wir stellten fest, dass sich die Karten mit der Zeit veränderten. 1 Woche nach dem Schlaganfall war die Gesamtaktivität des Gehirns sehr gering. Überraschenderweise war die Aktivität sogar in einem Bereich gering, der weit vom Schlaganfall entfernt war. 8 Wochen nach dem Schlaganfall war die Gesamtaktivität des Gehirns zwar höher, aber noch nicht wieder normal. Aus diesen Daten schlossen wir, dass selbst ein kleiner Schlaganfall große Auswirkungen auf die Funktionsweise des Gehirns als Ganzes haben kann. Wenn wir verstehen, was mit dem Gehirn nach einem Schlaganfall geschieht, könnte dies den Wissenschaftlern helfen, bessere Behandlungsmethoden für Schlaganfallpatienten zu entwickeln. Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie nützlich die Optogenetik bei der Untersuchung von Fragen zum Gehirn sein kann. Es ist wahrscheinlich, dass Hirnforscher die Optogenetik noch viele Jahre lang nutzen werden.

Glossar

Neuronen: Spezielle Zellen im Gehirn, die miteinander kommunizieren, indem sie elektrische und chemische Signale senden und empfangen. Es gibt Milliarden von Neuronen im Gehirn, und die Signale, die zwischen diesen Zellen gesendet werden, sind die Grundlage für alle unsere Gedanken und Verhaltensweisen. Neuronen werden manchmal auch als Nervenzellen bezeichnet.

Studie zur elektrischen Stimulation: Eine Technik zur Aktivierung von Neuronen oder Nervenbahnen, bei der eine kleine Elektrode eingeführt und ein elektrischer Strom in das Gewebe geleitet wird. Dies führt zu Veränderungen in der elektrischen Aktivität des Gewebes.

Neurowissenschaften: Ein Wissenschaftszweig, der das Gehirn und das Nervensystem untersucht.

Optogenetik: Eine Technik, die eine Kombination aus Licht und Gentechnik verwendet, um die Aktivität einer Zelle zu kontrollieren.

Genetic Engineering: Der Prozess der Veränderung der Informationen im genetischen Code (den Bauplänen) eines Lebewesens durch Hinzufügen oder Löschen von Informationen. Gentechnik wird manchmal auch als genetische Veränderung bezeichnet.

Opsine: Proteine, die auf eine bestimmte Art von Licht reagieren (zum Beispiel reagiert ChR2 nur auf blaues Licht). In der Neurowissenschaft werden diese Proteine verwendet, um die Aktivität von Neuronen zu steuern.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): Ein Opsin, das speziell auf blaues Licht reagiert. Wenn ChR2 in Neuronen eingebaut wird, kann blaues Licht verwendet werden, um diese Neuronen einzuschalten. ChR2 ist derzeit das beliebteste Opsin für optogenetische Studien.

Schlaganfall: Normalerweise transportiert das Blut Sauerstoff und andere wichtige Nährstoffe zum Gehirn. Wenn die Blutzufuhr unterbrochen oder reduziert wird, erhält das Gehirn nicht die Dinge, die es braucht, um richtig zu funktionieren. Dies wird als Schlaganfall bezeichnet und kann zu dauerhaften Problemen und Funktionsstörungen führen.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Originalquelle Artikel

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