Forscher steuern Gehirne von Zebrafischen fern
"Lichtschaltbare" Ionenkanäle direkt in Nervenzellen eingeschleust
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Nervenzellen von Zebrafischlarven steuerbar (Foto: dal Maschio, neuro.mpg.de) |
München/Martinsried (pte023/18.05.2017/12:30) Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie http://neuro.mpg.de haben durch das künstliche Aktivieren weniger Nervenzellen erstmals das Verhalten von Wirbeltieren gesteuert. Die Forscher haben einzelne Nervenzellen im Gehirn von Zebrafischen identifiziert, die bestimmte Bewegungssignale auslösen. Die neue Methode ermöglicht ein besseres Verständnis der zentralen Komponenten neuronaler Schaltkreise - eine Grundvoraussetzung zum Entschlüsseln des komplexen Codes, der elementaren Hirnfunktionen zugrunde liegt.
Hindernisse überwunden
Die Experten konnten zwei Hindernisse überwinden: Zum einen können nun Ursache und Wirkung einzelnen zellulären Komponenten eines neuronalen Schaltkreises zugeordnet werden. Zum anderen lässt sich zeitgleich mitverfolgen, wie sich die Aktivität im gesamten Gehirn ausbreitet und ein bestimmtes Verhalten auslöst. Für diese neuentwickelte Methode stimulieren die Forscher mehrere, ausgewählte Zellen im dreidimensionalen Nervengewebe durch Licht, während sie gleichzeitig die Netzwerkaktivität im Gehirn der untersuchten Zebrafischlarve aufnehmen.
"Mit ihrem kleinen und durchsichtigen Gehirn sind Zebrafische einfach ideal für unsere neue Methode", erklärt Marco dal Maschio, einer der beiden Erstautoren der Studie. Im ersten Schritt modifizierten die Wissenschaftler das Zebrafisch-Nervensystem, indem sie genetisch "lichtschaltbare" Ionenkanäle in die Nervenzellen einschleusten. Dies ermöglichte es, die Hirnaktivität durch Bescheinen des durchsichtigen Kopfes von außen fernzusteuern.
Unsichtbare Lichtstrahlen
Die Neurobiologen haben einer Zebrafischlarve unter dem Mikroskop computergenerierte Hologramme aus dreidimensionalen Lichtmustern in das Fischgehirn projiziert. Die Lichtstrahlen befanden sich im infraroten Bereich, dem sogenannten Zwei-Photonen-Modus, und waren daher für die Fische unsichtbar. Durch ihre spezielle Form zielten die Lichtstrahlen nur auf jeweils eine kleine Gruppe einzelner Nervenzellen.
Während das Licht nun Nervenzellen in unterschiedlichen Kombinationen aktivierte, zeichnete eine schnelle Kamera die Schwanzbewegungen des Fisches auf. Diesen Vorgang wiederholten die Wissenschaftler so lange, bis sie eine kleine Gruppe bestehend aus mindestens drei Nervenzellen identifiziert hatten: Diese Zellen reichten aus, um den Fischschwanz zu bewegen. Mithilfe eines schnellen 3D-Imaging-Verfahrens nahmen die Wissenschaftler daraufhin die Aktivität im Gehirn auf, die sich von diesen drei Nervenzellen ausbreitete.
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