“Knallharte” neue Methode nutzt ein magnetisiertes Protein, um Gehirnzellen schnell, reversibel und nicht-invasiv zu aktivieren

Dieser Artikel erschien im März 2016 auf theguardian.com. Interessant wäre zu wissen wie der Stand heute ist.

Forscher in den USA haben eine neue Methode zur Steuerung der Gehirnschaltkreise entwickelt, die mit komplexen tierischen Verhaltensweisen in Verbindung stehen. Sie nutzen Gentechnik, um ein magnetisiertes Protein zu erzeugen, das bestimmte Gruppen von Nervenzellen aus der Ferne aktiviert.

Zu verstehen, wie das Gehirn Verhalten erzeugt, ist eines der ultimativen Ziele der Neurowissenschaften – und eine ihrer schwierigsten Fragen. In den letzten Jahren haben Forscher eine Reihe von Methoden entwickelt, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Gruppen von Neuronen aus der Ferne zu steuern und die Funktionsweise neuronaler Schaltkreise zu untersuchen.

Die leistungsfähigste dieser Methoden ist die Optogenetik, die es Forschern ermöglicht, Populationen verwandter Neuronen mit Laserlichtimpulsen auf einer Zeitskala von Millisekunden ein- oder auszuschalten. Eine andere, kürzlich entwickelte Methode, die Chemogenetik, verwendet künstlich hergestellte Proteine, die durch Designer-Medikamente aktiviert werden und gezielt auf bestimmte Zelltypen ausgerichtet werden können.

Obwohl beide Methoden leistungsstark sind, haben sie auch Nachteile. Die Optogenetik ist invasiv, da sie das Einsetzen von Lichtleitfasern erfordert, die die Lichtimpulse in das Gehirn leiten, und außerdem ist das Ausmaß, in dem das Licht in das dichte Hirngewebe eindringt, stark begrenzt. Chemogenetische Ansätze überwinden diese beiden Einschränkungen, induzieren aber typischerweise biochemische Reaktionen, die mehrere Sekunden benötigen, um Nervenzellen zu aktivieren.

Die neue Technik, die im Labor von Ali Güler an der University of Virginia in Charlottesville entwickelt und in einer Online-Vorabveröffentlichung in der Zeitschrift Nature Neuroscience beschrieben wurde, ist nicht nur nicht-invasiv, sondern kann auch Neuronen schnell und reversibel aktivieren.

Mehrere frühere Studien haben gezeigt, dass Nervenzellproteine, die durch Hitze und mechanischen Druck aktiviert werden, gentechnisch so verändert werden können, dass sie für Radiowellen und Magnetfelder empfindlich werden, indem sie an ein eisenspeicherndes Protein namens Ferritin oder an anorganische paramagnetische Partikel gebunden werden. Diese Methoden stellen einen wichtigen Fortschritt dar – sie wurden zum Beispiel bereits zur Regulierung des Blutzuckerspiegels bei Mäusen eingesetzt -, erfordern jedoch mehrere Komponenten, die separat eingeführt werden müssen.

Die neue Technik baut auf diesen früheren Arbeiten auf und basiert auf einem Protein namens TRPV4, das sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnungskräfte empfindlich ist. Diese Reize öffnen seine zentrale Pore, sodass elektrischer Strom durch die Zellmembran fließen kann; dies löst Nervenimpulse aus, die ins Rückenmark und dann zum Gehirn wandern.

Güler und seine Kollegen schlussfolgerten, dass magnetische Drehmoment- (oder Rotations-) Kräfte TRPV4 aktivieren könnten, indem sie seine zentrale Pore aufreißen, und so fügten sie das Protein gentechnisch an die paramagnetische Region von Ferritin an, zusammen mit kurzen DNA-Sequenzen, die den Zellen signalisieren, Proteine zur Nervenzellmembran zu transportieren und dort einzubauen.

Als sie dieses genetische Konstrukt in menschliche embryonale Nierenzellen einbrachten, die in Petrischalen wachsen, synthetisierten die Zellen das “Magneto”-Protein und bauten es in ihre Membran ein. Das Anlegen eines Magnetfeldes aktivierte das manipulierte TRPV1-Protein, was sich durch einen vorübergehenden Anstieg der Kalziumionenkonzentration in den Zellen zeigte, der mit einem Fluoreszenzmikroskop nachgewiesen wurde.

Als nächstes fügten die Forscher die Magneto-DNA-Sequenz in das Genom eines Virus ein, zusammen mit dem Gen, das für das grün fluoreszierende Protein kodiert, und regulatorischen DNA-Sequenzen, die bewirken, dass das Konstrukt nur in bestimmten Arten von Neuronen exprimiert wird. Dann injizierten sie das Virus in die Gehirne von Mäusen, wobei sie auf den entorhinalen Kortex abzielten, und sezierten die Gehirne der Tiere, um die Zellen zu identifizieren, die grüne Fluoreszenz ausstrahlten. Mit Hilfe von Mikroelektroden zeigten sie dann, dass das Anlegen eines Magnetfeldes an die Hirnschnitte Magneto aktiviert, so dass die Zellen Nervenimpulse erzeugen.

Um festzustellen, ob Magneto zur Manipulation der neuronalen Aktivität in lebenden Tieren verwendet werden kann, injizierten sie Magneto in Zebrafischlarven und zielten dabei auf Neuronen im Rumpf und Schwanz, die normalerweise eine Fluchtreaktion kontrollieren. Dann setzten sie die Zebrafisch-Larven in ein speziell gebautes, magnetisiertes Aquarium und fanden heraus, dass die Exposition gegenüber einem Magnetfeld ähnliche Einrollmanöver auslöste, wie sie während der Fluchtreaktion auftreten. (An diesem Experiment waren insgesamt neun Zebrafisch-Larven beteiligt, und spätere Analysen ergaben, dass jede Larve etwa 5 Neuronen enthielt, die Magneto exprimierten).

In einem letzten Experiment injizierten die Forscher Magneto in das Striatum von sich frei verhaltenden Mäusen, eine tiefe Hirnstruktur, die Dopamin-produzierende Neuronen enthält, die an Belohnung und Motivation beteiligt sind, und setzten die Tiere dann in eine Apparatur, die in magnetisierte und nicht-magnetisierte Abschnitte unterteilt war. Mäuse, die Magneto exprimierten, verbrachten viel mehr Zeit in den magnetisierten Bereichen als Mäuse, die es nicht taten, weil die Aktivierung des Proteins die striatalen Neuronen, die es exprimieren, veranlasste, Dopamin freizusetzen, so dass die Mäuse den Aufenthalt in diesen Bereichen als belohnend empfanden. Dies zeigt, dass Magneto das Feuern von Neuronen tief im Gehirn fernsteuern und auch komplexe Verhaltensweisen kontrollieren kann.

Der Neurowissenschaftler Steve Ramirez von der Harvard University, der Optogenetik einsetzt, um Erinnerungen im Gehirn von Mäusen zu manipulieren, sagt, die Studie sei “knallhart”.

“Frühere Versuche [mit Magneten zur Kontrolle neuronaler Aktivität] benötigten mehrere Komponenten, damit das System funktioniert – die Injektion magnetischer Partikel, die Injektion eines Virus, der einen hitzeempfindlichen Kanal exprimiert, [oder] die Fixierung des Kopfes des Tieres, so dass eine Spule Änderungen im Magnetismus induzieren kann”, erklärt er. “Das Problem mit einem Mehrkomponentensystem ist, dass es so viel Raum für jedes einzelne Teil gibt, um zusammenzubrechen.”

“Dieses System ist ein einziges, elegantes Virus, das überall im Gehirn injiziert werden kann, was es technisch einfacher und unwahrscheinlicher macht, dass beweglicher Schnickschnack kaputt geht”, fügt er hinzu, “und ihre Verhaltensausrüstung wurde geschickt so gestaltet, dass sie Magnete an den entsprechenden Stellen enthält, so dass sich die Tiere frei bewegen können.”

Magnetogenetik’ ist daher eine wichtige Ergänzung des Werkzeugkastens der Neurowissenschaftler, die zweifellos weiterentwickelt werden und den Forschern neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Gehirnentwicklung und -funktion bieten wird.