Forschung & Entwicklung

Optogenetik enthüllt Schaltkreise im Gehirn

Um einzelne Nervenzellen im Rahmen der Tiefenhirnstimulation zu aktivieren, wurde bisher die Mikrostimulation eingesetzt. Nun konnte gezeigt werden, dass auch die Optogenetik zu vergleichbaren Resultaten führt.

Wie die einzelnen Schaltkreise in den stark verzweigten Netzwerken des Gehirns funktionieren, liegt bisher noch weitgehend im Dunkeln. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen haben zusammen mit Forschern des Ernst Strüngmann Instituts in Frankfurt und der Universität Newcastle in England erstmals eine neuronale Verbindung im Sehsystem von Affen mit optogenetischen Methoden nachgewiesen. Hierzu wurden einzelne Nervenzellen genetisch so verändert, dass sie auf einen Lichtreiz hin aktiv wurden.

Die Forscher haben mit der Methode das Sehsystem von Makaken untersucht. Das Gehirn dieser nicht-menschlichen Primaten ist dem des Menschen sehr ähnlich. Sie haben dieselbe Organisation der Hirnrinde und sind deshalb für die Hirnforschung unverzichtbar. So sind Primaten die einzigen Tiere, die ebenfalls über die sogenannten Koniozellen und über eine hochkomplexe visuelle Verarbeitung verfügen.

Signale, die im Auge eintreffen, werden über das Corpus geniculatum laterale in das Großhirn weitergeleitet – diese Schaltstelle ist die direkte Verbindung zwischen Netzhaut und der primären Sehrinde. Wie beim Menschen besteht sie bei Affen aus sechs Schichten, die Magno-, Parvo- und Koniozellen enthalten. Magnozellen verarbeiten Signale, die Kontrast und Bewegungsinformationen enthalten, während Parvozellen wichtig für das Farbsehen sind. Die Funktion der Koniozellen ist noch kaum verstanden. Die Forscher konnten nun mit Hilfe optogenetischer Stimulation nachweisen, dass die Koniozellen mit der primären Sehrinde verbunden sind.

„Wir haben diesen Schaltkreis im Sehsystem auch deshalb untersucht, weil er ein abgegrenztes System darstellt und durch die verschiedenen Zelltypen sehr klar organisiert ist“, erklärt Carsten Klein vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik. Die Studie liefert neben Erkenntnissen zum Aufbau des visuellen Systems auch methodische Erkenntnisse, die für die medizinische Anwendung der Tiefenhirnstimulation und der Optogenetik relevant sein könnten.

Die optogenetische Steuerung der Nervenzellen funktioniert noch genauer als die Mikrostimulation und hat zudem einen Vorteil: Zellen lassen sich nicht nur aktivieren, sondern auch ausschalten. Fällt eine Zelle aus einem System aus, lässt sich anschließend sehr gut sagen, welche Funktion sie innehatte. Dazu wird statt einem aktivierenden Protein ein hemmendes Protein in die Nervenzellen geschleust. Wird es mit einem Lichtpuls angeregt, unterdrückt es die Aktivität der Zellen.

Wenn die Optogenetik weiter verfeinert wird, könnten zukünftig komplexere Schaltkreise und einzelne Bausteine im Gehirn sichtbar gemacht und kartiert werden.

Originalveröffentlichung:

[C. Klein, H. C. Evrard, K. A. Shapcott, S. Haverkamp, N. K. Logothetis, M. C. Schmid, Cell-Targeted Optogenetics and Electrical Microstimulation Reveal the Primate Koniocellular Projection to Supra-granular Visual Cortex, Neuron, Volume 90 Issue 1, DOI: 10.1016/j.neuron.2016.02.036 ]

www.kyb.tuebingen.mpg.de

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