Optische Schalter – Lernen mit Licht

Lernen ist nur möglich, weil die Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen im Gehirn fortwährend umgebaut werden: Je häufiger bestimmte Reizübertragungswege genutzt werden, desto besser prägen sich Informationen ein.

Sogenannte Neurorezeptoren sind dabei entscheidend an der Signalübertragung beteiligt. LMU-Wissenschaftler um Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik an der LMU, haben nun in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Institut Pasteur in Paris einen speziellen Rezeptor, der besonders für das Erinnerungsvermögen und die Speicherung von Informationen wichtig ist, durch Licht hoch präzise steuerbar gemacht. Damit werden neue Einblicke in die Mechanismen des Erinnerns möglich. Über ihre Ergebnisse berichten sie im Fachmagazin Nature Communications.

Nervenzellen kommunizieren mithilfe von chemischen Botenstoffen, sogenannten Neurotransmittern, die über den synaptischen Spalt – den schmalen Zwischenraum zwischen zwei Nervenzellen – diffundieren und Signale übertragen, indem sie an spezifische Rezeptoren binden.

Dabei hängt der Reiz, der eine Zelle erreicht, vom jeweiligen Rezeptor ab. „Ein ganz spezieller Rezeptor im Gehirn ist der N-Methyl-D-Aspartat (NMDA) Rezeptor. Dieser Rezeptor ist maβgeblich dafür verantwortlich, dass wir in der Lage sind, Erinnerungen zu bilden und zu lernen“, sagt Laura Laprell, Doktorandin in Trauners Arbeitsgruppe und eine der Erstautoren der Studie.

Präzise Steuerung im Millisekundentakt

Nun ist den Wissenschaftlern gelungen, mit dem Molekül ATG (Azobenzen-Triazol-Glutamat) einen lichtsensitiven Neurotransmitter zu synthetisieren, mit dem NMDA-Rezeptoren im Labor erstmals präzise und hoch spezifisch aktiviert und vor allem auch wieder inaktiviert werden können: Der neue Schalter ist im Gegensatz zu anderen optischen Schaltern zunächst nicht mit dem Rezeptor verbunden, sondern er diffundiert frei im synaptischen Spalt zwischen den Nervenzellen.

„Im Dunkeln ist ATG völlig inaktiv, erst bei Bestrahlung mit Licht bindet es an den Rezeptor und initiiert die Signalübertragung“, sagt Laprell – den Nervenzellen muss also das sprichwörtliche Licht aufgehen, wenn sie aktiv werden sollen. Die Bestrahlung mit UV-Licht wiederum inaktiviert ATG innerhalb von Millisekunden und ermöglicht so eine sehr präzise Steuerung der Reizübertragung.

Licht hat den Vorteil, dass es zeitlich und räumlich sehr präzise eingesetzt werden kann. Allerdings kann Licht bestimmter Wellenlängen auch schädlich für Gewebe sein. Daher ist es von besonderem Interesse, Moleküle zu entwickeln, die mit Licht langer Wellenlängen aktiviert werden können.

„Mit ATG ist genau das gelungen: Es ist nicht nur im Dunkeln inaktiv, kann also unter diesen Bedingungen ohne Nebeneffekte eingesetzt werden, sondern es hat zusätzlich die Besonderheit, dass es auch mit langwelligem Rotlicht hoch präzise aktiviert werden kann, indem man die sogenannte Zwei-Photonen Aktivierung nutzt. Bei dieser hochmodernen Technik wird das Molekül von zwei direkt aufeinander folgenden Lichtteilchen angeregt“, sagt Trauner. „Langwelliges Licht hat zudem den Vorteil, dass es besonders weit in Gewebe eindringen kann.“

Von den neuen Möglichkeiten zur gezielten Aktivierung von NMDA-Rezeptoren erwarten die Forscher neue Erkenntnisse über die Mechanismen bei der Entstehung neuronaler Verknüpfungen und damit auch über die Bildung von Erinnerungen. Es wird außerdem vermutet, dass neurodegenerative Erkrankungen wie etwa Alzheimer und Parkinson durch NMDA-Rezeptoren induziert oder verstärkt werden können.

„Es ist daher von großem Interesse für die Forschung, diese Rezeptorklasse besser zu verstehen und ihre Aktivität steuern zu können“, betont Trauner. „Wir arbeiten zurzeit mit anderen Gruppen zusammen, die ATG insbesondere in Hinblick auf seine Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen untersuchen.“
Nature Communications 2015

Publikation:
Optical control of NMDA-receptors with a diffusible photoswitch
Laura Laprell, Emilienne Repak, Vilius Franckevicius, Felix Hartrampf, Jan Terhag, Michael Hollmann, Martin Sumser, Nelson Rebola, David DiGregorio & Dirk Trauner
Nature Communications 2015
DOI: 10.1038/ncomms9076
http://www.nature.com/ncomms/2015/150827/ncomms9076/full/ncomms9076.html

Kontakt:
Dirk Trauner
Professor of Chemical Biology
Department of Chemistry • University of Munich
Tel: +49 (0)89 2180-77800
Fax: +49 (0)89 2180-77972
http://www.cup.uni-muenchen.de/oc/trauner