Ferngesteuertes Verhalten: Licht aktiviert einzelne Nervenzellen im Gehirn

In den letzten Jahren konnten Wissenschaftler viel über die Struktur und Funktion des Gehirns herausfinden. Der Fortschritt kam unter anderem durch neue Verfahren in der Mikroskopie und funktionellen Bildgebung, dank derer die Aktivität von Nervenzellpopulationen beobachtet werden kann, während ein Tier etwas wahrnimmt oder ein bestimmtes Verhalten zeigt.

In diesen Studien ist es jedoch häufig nicht möglich, zwischen Ursache und Folge der beobachteten Aktivitätsveränderungen zu unterscheiden. Eine andere Methode, die Optogenetik, ermöglicht es Wissenschaftlern zu unterscheiden, ob bestimmte Nervenzellen für ein Verhalten essentiell sind, andere Aufgaben erfüllen, oder eher unbeteiligt sind. Dabei stellt der extrem hohe Grad an „Verknüpfung“ neuronaler Netzwerke eine besondere Herausforderung an die Forschung: Die Aktivität selbst einer einzelnen Nervenzelle kann sich über einen großen Teil des Nervensystems ausbreiten.

In einer neuen Studie konnten Herwig Baier und sein Team am Max-Planck-Institut für Neurobiologie nun beide Hindernisse überwinden: Zum einen können nun Ursache und Wirkung einzelnen zellulären Komponenten eines neuronalen Schaltkreises zugeordnet werden. Zum anderen kann zeitgleich mitverfolgt werden, wie sich die Aktivität im gesamten Gehirn ausbreitet und ein Verhalten auslöst.

Für diese neu entwickelte 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 im Fachjournal Neuron veröffentlichten Studie.

Vor einigen Jahren gelang es Wissenschaftlern aus Herwig Baiers Abteilung, eine kleine Nervenzellpopulation im Zebrafischgehirn zu identifizieren, die bei ihrer Aktivierung die Auslenkung des Fischschwanzes auslöst. „Diese Arbeit konnte die entstehenden Aktivitätsmuster jedoch nicht in hoher Auflösung zeigen“, erklärt Joseph Donovan, der andere Erstautor der Studie. „Aus diesem Grund haben wir einen neuen Ansatz entworfen.“ 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.

Solch eine Zebrafischlarve setzten Donovan und dal Maschio dann unter das Mikroskop und projizierten computergenerierte Hologramme, bestehend aus dreidimensionalen Lichtmustern, in das Fischgehirn. 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. Mit Hilfe eines schnellen 3D Imaging-Verfahrens nahmen die Wissenschaftler daraufhin die Aktivität im Gehirn auf, die sich von diesen drei Nervenzellen ausbreitete.

Die so gewonnenen Daten flossen in ein Computerprogramm ein, das Aktivitätsmuster identifizierte, die mit bestimmten Komponenten des ausgelösten Verhaltens assoziiert werden konnten. Das Programm wies zudem jeder Nervenzelle einen bestimmten „Beitragswert“ zum Verhalten zu. Zu guter Letzt rekonstruierten die Wissenschaftler einzelne Nervenzellen mit interessanten Funktionen, indem sie die Form der Zellen unter dem Mikroskop sichtbar machten. Da die Gehirne einzelner Fische sehr ähnlich verschaltet sind, können Forscher nun ein generelles Schaltplandiagram aus den kombinierten Daten vieler solcher Experimente erstellen.

„Zum ersten Mal kann nun verfolgt werden, wie ein Verhaltenskommando sich von einigen wenigen Zellen ausgehend durch das Gehirn ausbreitet und eine physikalische Aktion auslöst“, freut sich Marco dal Maschio über das Ergebnis. Der Wissenschaftler hat guten Grund, optimistisch zu sein: Der neue experimentelle Arbeitsablauf ermöglicht es ihm und seinen Kollegen Schaltkreise im Gehirn in bisher unerreichtem Detail zu untersuchen. Da Funktion und Struktur des Gehirns zwischen Fischen und Säugetieren durch die Evolution weitgehend konserviert sind, sollten diese Studien generelle Prinzipien der Gehirnaktivität bei der Erzeugung von Verhalten ans Licht bringen.

ORIGINALVERÖFFENTLICHUNG
Marco dal Maschio*, Joseph C. Donovan*, Thomas O. Helmbrecht, Herwig Baier
Linking neurons to network function and behavior by two-photon holographic optogenetics and volumetric imaging
Neuron, 17. Mai 2017
* Gleichraniger Beitrag

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Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
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Prof. Dr. Herwig Baier
Abteilung Gene – Schaltkreise – Verhalten
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
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http://www.neuro.mpg.de/baier/de – Webseite der Abteilung von Herwig Baier am MPI für Neurobiologie