Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optogenetik enthüllt Schaltkreise im Gehirn

14.04.2016

Forscher weisen Verschaltung von Nervenzellen des Sehsystems funktionell nach

Wie die einzelnen Schaltkreise in den stark verzweigten Netzwerken des Gehirns funktionieren, liegt bisher noch weitgehend im Dunkeln. Sie sichtbar zu machen ist kompliziert und erfordert sehr feinfühlige Messmethoden.


Angefärbte Koniozellen im Corpus geniculatum laterale (grün)

Carsten Klein / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik


Grün floureszierende Koniozellen

Carsten Klein / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

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.

Bisher war die Mikrostimulation das Mittel der Wahl, um einzelne Nervenzellen zu aktivieren – die Methode erwies sich als verlässlich und genau. Sie wird auch medizinisch etwa im Rahmen der Tiefenhirnstimulation eingesetzt. Die Tübinger Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass auch die noch in den Kinderschuhen steckende Optogenetik zu vergleichbaren Resultaten führt.

Durch die Optogenetik ist es möglich, die Aktivität von Nervenzellen mit Licht direkt zu beeinflussen. Hierzu werden einzelne Neurone mit Hilfe von Viren genetisch so verändert, dass sie einen lichtempfindlichen Ionenkanal in ihre Zellmembran einbauen. Durch blaue Lichtpulse können die veränderten Nervenzellen dann gezielt aktiviert werden.

Den Zellen beim Sehen zuschauen

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 wie wir und sind deshalb für die Hirnforschung unverzichtbar“, erklärt Nikos Logothetis, Direktor der Abteilung „Physiologie kognitiver Prozesse“ am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik. 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, da sie durch ihre Lage innerhalb des Corpus geniculatum schwierig zu untersuchen sind. 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.

Vorteile der Optogenetik – Ausschalten einzelner Nervenzellen

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.

Durch Optogenetik kann die Zusammenarbeit zwischen einzelnen Zellen also viel genauer untersucht werden. Michael Schmid von der Universität Newcastle, der die Idee zu der Studie hatte, sieht Potenzial in der Optogenetik: „Die Methode ist sehr interessant für uns. Wenn sie weiter verfeinert wird, könnten wir komplexere Schaltkreise und einzelne Bausteine im Gehirn sichtbar machen und kartieren.“

Originalpublikation:

Carsten Klein, Henry C. Evrard, Katharine A. Shapcott, Silke Haverkamp, Nikos K. Logothetis, Michael C. Schmid; Cell-Targeted Optogenetics and Electrical Microstimulation Reveal the Primate Koniocellular Projection to Supra-granular Visual Cortex; Neuron, 2016

DOI: 10.1016/j.neuron.2016.02.036

Ansprechpartner:

Carsten Klein
E-Mail: carsten.klein@tuebingen.mpg.de

Christina Bornschein (Presse- & Öffentlichkeitsarbeit)
Tel.: 07071 601-777
E-Mail: presse-kyb@tuebingen.mpg.de

Druckfähige Bilder erhalten Sie von der Presse- und Öffentlichkeitsabteilung. Bitte senden Sie uns bei Veröffentlichung einen Beleg.

Das Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik forscht an der Aufklärung von kognitiven Prozessen auf experimentellem, theoretischem und methodischem Gebiet. Es beschäftigt rund 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus über 40 Ländern und hat seinen Sitz auf dem Max-Planck-Campus in Tübingen. Das MPI für biologische Kybernetik ist eines der 82 Institute und Forschungseinrichtungen der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Weitere Informationen:

http://www.kyb.tuebingen.mpg.de/de/forschung/abt/lo.html

Christina Bornschein | Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Die Kieler Förde – ein Trainingsbecken für Miesmuscheln
28.04.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Leipziger Forscher kreieren borhaltiges künstliches Vitamin
28.04.2017 | Universität Leipzig

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Die Kieler Förde – ein Trainingsbecken für Miesmuscheln

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mikroskop im Kugelschreiberformat: Auf dem Weg zur endoskopischen Krebsdiagnose

28.04.2017 | Medizintechnik

Leipziger Forscher kreieren borhaltiges künstliches Vitamin

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie