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Live-Schaltung ins Gehirn

Mithilfe eines Lasers kann man einzelne Nervenzellen gezielt ein- und ausschalten. So hat ein internationales Forschungsteam untersucht, wie das Zebrafischgehirn durch äußere Reize ein bestimmtes Verhalten in Gang setzt. Die Arbeiten sind in „Nature Methods“ veröffentlicht und werden nun am MDC fortgesetzt.

Wenn Zebrafische das Gefühl haben, von der Strömung davongetragen zu werden, beginnen sie dagegen anzuschwimmen. Das Verhalten ist angeboren und lässt sich auch im Labor beliebig oft auslösen – selbst wenn es dort gar keine Strömung gibt, sondern nur ein projiziertes Bild, das am Grunde des Aquariums vorüberzieht. Dr. Nikita Vladimirov, Erstautor der in „Nature Methods“ publizierten Studie, wollte herausfinden, wie im Gehirn der Fische der Befehl zum Schwimmen entsteht und welche Nervenzellen an dieser optomotorischen Antwort beteiligt sind. Es ist ein Beispiel für ein zentrales Problem in den Neurowissenschaften: Wie kann man die Gesamtheit all jener Neuronen identifizieren, die einem beliebigen Verhalten eines Tieres zugrunde liegen? „Wir wissen bisher nur wenig darüber, wie das Gehirn äußere Reize in bestimmte Verhaltensmuster umwandelt“, sagt er. „Das möchte ich mithilfe meiner Experimente ändern.“

Feuern die Neuronen, leuchten sie besonders hell

Vladimirov ist Anfang 2017 ans Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) gewechselt und gehört seitdem zur BIMSB-Arbeitsgruppe von Dr. Stephan Preibisch. In seiner Zeit am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute nahe der Stadt Ashburn im US-Bundesstaat Virginia hat Vladimirov im Labor von Dr. Misha Ahrens ein spezielles Mikroskop entwickelt, mit dem er dem Gehirn der Fische quasi bei der Arbeit zuschauen kann. Als ideale Tiere für seine Studien erwiesen sich wenige Tage alte Zebrafische. „Sie sind nur drei bis vier Millimeter lang und nahezu durchsichtig, weshalb sie sich zum Mikroskopieren hervorragend eignen“, erklärt der Forscher.

Das Gehirn der Baby-Zebrafische besteht zudem aus nur rund 100.000 Nervenzellen, ist also vergleichsweise überschaubar. Die von Vladimirov verwendeten Tiere waren darüber hinaus genetisch modifiziert. Ihre Nervenzellen tragen ein fluoreszierendes Protein, das heller leuchtet, wenn die Neuronen aktiv werden. „Auf diese Weise können wir im gesamten Gehirn beobachten, welche Zellen bei einem bestimmten Verhalten des Fisches zu feuern beginnen“, erläutert Vladimirov.

© Nikita Vladimirov, MDC

Indem sie dreidimensionale Karten und Hochleistungsrechnen kombinieren, können Forscherinnen und Forschern die Veränderungen der Gehirnaktivität und des Verhaltens von Zebrafischlarven gleichzeitig beobachten. Die Zellkerne der Fischneuronen sind mit dem fluoreszierenden Protein GCaMP6f markiert. Die Farben zeigen, wie die Neuronen während des Schwimmens, während einer Vorwärts- und einer Rückwärtsstimulation reagieren.

Mehr Hirnregionen als gedacht werden aktiv

Für seine Experimente baute der Wissenschaftler in den USA ein „Zebraskop“. Das ist ein an einen Hochleistungsrechner angeschlossenes Lichtblattmikroskop, das in der Lage ist, Aufnahmen des gesamten Gehirns eines Zebrafisches in hoher Präzision zu erstellen. „Obwohl der optische Reiz und die Reaktion darauf sehr einfach sind, war die neuronale Aktivität der Fische erstaunlich komplex“, berichtet Vladimirov. Zahlreiche, oft weit auseinanderliegende Hirnregionen seien aktiv geworden, wenn er das bewegte Bild eingeschaltet habe. „Und wenn der Fisch losschwimmen wollte, fingen noch mehr Areale an zu feuern“, erzählt der Forscher.

Um herauszufinden, welche der Neuronen für das Einleiten der Schwimmbewegung tatsächlich erforderlich sind, rüstete Vladimirov sein Mikroskop zusätzlich mit einem computergesteuerten Lasermodul aus. Dessen Laserstrahl ist so fein, dass sich mit ihm gezielt einzelne Nervenzellen ausschalten lassen.

Das Gehirn der Fische ist erstaunlich resilient

„Ich war davon ausgegangen, dass in den aktivsten Hirnregionen quasi der Hauptschalter für die optomotorische Antwort zu finden ist“, sagt Vladimirov. Zu seiner großen Überraschung sei das aber nicht der Fall gewesen. Das Ausschalten besonders aktiver Hirnregionen veränderte zwar die Länge oder die Amplitude der Schwimmbewegung, konnte das Schwimmen an sich aber nicht verhindern. Zudem ließ sich beobachten, wie Neuronen anderer Hirnregionen nun vermehrt zu feuern begannen.

„All das zeigt uns, wie wenig wir bislang über die Funktionsweise des Gehirns wissen – selbst bei einem so einfachen Organismus wie dem Zebrafisch und einem so simplen Verhalten wie dem Schwimmen“, sagt Vladimirov. Für die von ihm und seinem Team entdeckte Komplexität des Fisch-Nervensystems müsse es tiefere Gründe geben, die man bislang noch nicht kenne. Doch inzwischen besitze man zumindest die nötigen Werkzeuge, um in dieser Richtung weiter zu forschen, betont der Wissenschaftler.

Als nächstes sollen Fadenwürmer untersucht werden

Am MDC möchte Vladimirov nun zusammen mit Stephan Preibisch, der an der aktuellen Studie ebenfalls beteiligt war, das Gehirn des winzigen Fadenwurms C. elegans durchleuchten. Es besteht nur aus wenigen hundert Nervenzellen. „Fadenwürmer sind in der Lage, schlechte Zeiten – beispielsweise solche ohne Nahrung – in einer Art Ruhestadium zu überdauern“, sagt Preibisch. Seine Arbeitsgruppe wolle nun mithilfe modifizierter Lichtblattmikroskope herausfinden, wie das Nervensystem die Weiterentwicklung des Wurms initiiert, sobald sich das Nahrungsangebot wieder verbessert.

Weiterführende Informationen

Pressemitteilung des Janelia Research Campus

Literatur

Nikita Vladimirov et al. (2018): „Brain-wide circuit interrogation at the cellular level guided by online analysis of neuronal function“ Nature Methods. doi: 10.1038/s41592-018-0221-x