Optogenetik – Zellen und Tiere mit Licht steuern

Die Optogenetik ermöglicht es Forschern, Nervenzellen nur mit Hilfe von Licht, meist von Lasern, zu aktivieren, zu deaktivieren und zu manipulieren

8. Februar 2022 von Coherent

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Vor über dreihundert Jahren entdeckte Luigi Galvani, dass das Bein eines Frosches zuckt, wenn man es unter Strom setzt. Das liegt daran, dass die Nervenzellen (Neuronen genannt) elektrische Impulse erzeugen, die sich dann entlang der Neuronen ausbreiten. Der elektrische Impuls wird als „Aktionspotential“ bezeichnet.

Wissenschaftler verwenden seit Langem winzige Elektroden, um elektrische Impulse an Neuronen anzulegen und sie so zu zwingen, auf Befehl zu feuern. Auf diese Weise konnten sie untersuchen, wie einige der Neuronen miteinander verbunden sind, und sogar herausfinden, welche Teile des Gehirns welche Teile des Körpers steuern.

Aber das Gehirn steuert weit mehr als nur unsere körperlichen Bewegungen. Es denkt und erinnert sich und verarbeitet alle von unseren Sinnesorganen (Augen, Ohren usw.) eingehenden Signale. Bis vor etwa 25 Jahren wussten wir nicht viel darüber, wie das Gehirn selbst die gewöhnlichsten dieser Aufgaben – wie das Erinnern eines Namens oder das Erkennen des Gesichts eines Freundes – ausführt.

Das ändert sich jetzt sehr schnell. Wissenschaftler verwenden alle möglichen Instrumente und Techniken, um die Gehirne von Tieren zu untersuchen. Insbesondere die Maus ist ein häufig verwendetes Testobjekt, da sie ein Säugetier mit einer ähnlichen grundlegenden Gehirnstruktur wie der Mensch ist.

Optogenetik beleuchtet die Neurowissenschaft

Die neueste Methode im Werkzeugkasten der Neurowissenschaftler heißt Optogenetik. Es bringt die Nerven mit Hilfe von Licht statt einer Elektrode zum Feuern. Um dies zu erreichen, verwenden die Wissenschaftler eine bestimmte Art von Proteinmolekül, das sogenannte Opsin. Genauer gesagt handelt es sich um Proteine, die reagieren, wenn Licht auf sie trifft.

Im Jahr 2005 zeigten die Neurowissenschaftler Karl Deisseroth, Ed Boyden und ihre Kollegen, dass man Tiere, darunter auch Mäuse, gentechnisch so verändern kann, dass sie Nervenzellen entwickeln, die Opsine einbauen und so auf Lichtreize reagieren. Außerdem haben sie die Gentechnik präzise manipuliert, so dass sie genau auswählen konnten, welche Arten von Nervenzellen welche Arten von Opsinen „exprimieren“.

Und schon konnte man bei einer lebenden Maus Nervenzellen aktivieren, indem man sie einfach mit Licht einer bestimmten Farbe bestrahlte, anstatt Elektroden mit den Nerven zu verbinden. Alternativ könnten Sie verschiedene Opsine verwenden, um zu verhindern, dass ein Nerv feuert, indem Sie ihn mit einer anderen Lichtfarbe bestrahlen. Das ist es, was Optogenetik ausmacht.

Optogenetik

Laser sorgen für eine leichte Berührung der Optogenetik

Der große Vorteil der Optogenetik besteht darin, dass Licht ein berührungsloses und selektives Werkzeug ist, das weit weniger störend ist als eine physische Elektrode. Und das Licht kann schnell von einer Stelle zur anderen bewegt werden, ohne das Tier zu verletzen. Und wenn es sich um Laserlicht handelt, kann es auf einen kleinen Punkt fokussiert werden, so dass nur ein ganz bestimmter Teil des Gehirns stimuliert (oder ausgeschaltet) wird.

Die fortschrittlichsten optogenetischen Experimente verwenden Ultrafast-Laser, wie den Coherent Monaco. Der Vorteil von Ultrafast-Lasern besteht darin, dass sie einzelne Neuronen im Gehirn einer Maus selektiv anregen können, indem sie einen Effekt nutzen, der „Multiphotonen-Anregung“ genannt wird. Außerdem dringt das für diese Technik verwendete Infrarotlicht effizient in die Hirnrinde ein.

Neurowissenschaftler projizieren zunehmend ein Muster aus mehreren Laserpunkten, die von Computeralgorithmen gesteuert werden. Dies ermöglicht es ihnen, Hunderte von Neuronen gezielt zu stimulieren und genau zu sehen, wie sie miteinander interagieren. Um zu verfolgen, wie dies tatsächlich geschieht, werden verschiedene Mikroskopietechniken mit Multiphotonenanregung (MPE) eingesetzt, die auf Lasern wie der Coherent Axon oder Chameleon-Serie in Kombination mit Monaco basieren.

Irgendwann werden Neurowissenschaftler in der Lage sein zu messen, wie eine viel größere Anzahl von Neuronen in Echtzeit miteinander kommuniziert und interagiert. Fast 250 Jahre nachdem die Menschen zum ersten Mal erkannt haben, dass Nerven mit elektrischen Impulsen funktionieren, haben Wissenschaftler endlich herausgefunden, wie das Gehirn einer Maus entscheidet, ob sie nach rechts oder links abbiegen soll. Wenn wir uns nur erinnern könnten, wo wir unsere Autoschlüssel gelassen haben ...

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