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Dr. Stefanie Merker
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Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried

Auf den Punkt gebracht

● Das Schwimmverhalten von Fischen beruht auf Nervenzell-Netzwerken in Gehirn und Rückenmark, die aus kleinen, lokalen Modulen zusammengesetzt sind. Je nach Anforderung können verschiedene Module miteinander kombiniert werden.

● Jede Nervenzelle besitzt dabei eine individuelle Aufgabe. Schon das An- oder Ausschalten weniger Zellen kann das gesamte Verhalten verändern.

Fremdgesteuert

Fremdgesteuert

Großes Bewegungstalent besitzt eine wenige Tage alte Zebrafischlarve noch nicht – kurze, heftige Schwanzschläge, viel mehr ist in diesem Alter nicht drin. Herwig Baier vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München reicht das aber schon. Ein einfaches und vor allem durchsichtiges Gehirn ist für ihn viel wichtiger, schließlich will er einzelne Nervenzellen mit Licht an- und ausschalten und so herausfinden, wie das Gehirn Bewegungen und Verhalten steuert.
Spot an für lichtempfindliche Proteine im Fischgehirn: Die Fotomontage zeigt, wie eine genetisch veränderte Larve des Zebrafischs mit heftigen Schwanzschlägen auf Licht reagiert. Bild vergrößern
Spot an für lichtempfindliche Proteine im Fischgehirn: Die Fotomontage zeigt, wie eine genetisch veränderte Larve des Zebrafischs mit heftigen Schwanzschlägen auf Licht reagiert. [weniger]

TEXT HARALD RÖSCH

Damit der kleine Zebrafisch mit dem Schwanz schlägt, muss Herwig Baier nur einen Laser anschalten. Eine wenige tausendstel Millimeter dicke Glasfaser leitet dann das Laserlicht zur Larve. Damit diese nicht wegschwimmen kann, ist sie bis auf den Schwanz in Gel-artigen Agar eingebettet. Der Winzling reagiert auf Knopfdruck: Licht an – Bewegung; Licht aus – Pause. Baier kann dem Tier mit den Lichtblitzen vorgeben, was es tun soll. Die Optogenetik macht’s möglich: Das Gen für lichtempfindliche Kanalproteine, das ursprünglich aus der einzelligen Alge Chlamydomonas reinhardtii stammt, wird so ins Erbgut der Fische eingefügt, dass es in bestimmten Nervenzellen aktiv ist. Die Channelrhodopsine genannten Proteine lassen Ionen ins Zellinnere strömen und steuern nun nicht mehr die Algenzelle, sondern die Nervenzellen im Fischgehirn. Auf diese Weise will Herwig Baier die Netzwerke entschlüsseln, die für das Verhalten der Zebrafische wichtig sind.

Dass die Larven überhaupt ein Gehirn haben, mag angesichts der nur ein paar Millimeter kleinen Fischchen schon eine Überraschung sein. Erst recht, dass man von ihnen etwas über das menschliche Gehirn lernen kann. Warum also untersuchen Baier und seine Forscherkollegen ausgerechnet das Nervensystem von Fischlarven?

Zunächst einmal, weil es zum einfachsten gehört, was die Wirbeltiere zu bieten haben: Es besteht aus etwa hunderttausend Nervenzellen, das menschliche Gehirn dagegen aus hundert Milliarden. Trotzdem sind die grundlegenden Architekturen vergleichbar, das Fischhirn besteht nur aus weniger Komponenten. Zudem sind die Larve und ihr Gehirn lichtdurchlässig – für den Wissenschaftler, der Lichtreize für seine Forschung einsetzt, ein unschlagbares Argument.

Pioniere der Optogenetik

Als Baier erstmals mit den Channelrhodopsinen experimentierte, forschte er in San Francisco an der Universität von Kalifornien. Die Optogenetik steckte damals noch in den Kinderschuhen. Karl Deisseroth und Ed Boyden an der Universität Stanford hatten im Jahr 2005 als Erste die Channelrhodopsin-Proteine aus der Alge auf Nervenzellen in Zellkultur übertragen und so deren Aktivität gesteuert. Baier erkannte sofort das enorme Potenzial der neuen Methode. Von Deisseroth und Boyden erhielt er die begehrten Rhodopsine und begann, mit ihnen das Fischgehirn zu erforschen.

Seinen ersten Erfolg mit der Optogenetik erzielte er mit seinen damaligen Kollegen in Berkeley und San Francisco aber zunächst mit einem anderen lichtempfindlichen Molekül, einem lichtgesteuerten Glutamatrezeptor. Glutamatrezeptoren sitzen an den Synapsen und reagieren auf den gleichnamigen Neurotransmitter. Dadurch gelangen die Nervensignale von einer Zelle zur nächsten. Der 2006 von Ehud Isacoff, Dirk Trauner und anderen entwickelte Ionenkanal wird allerdings nicht von Glutamat, sondern durch Licht aktiviert. Er ist mit einem kleinen, lichtempfindlichen Molekül versehen, das seine räumliche Struktur ändert und dadurch in die Bindungstasche des Rezeptors rutscht. Durch die nun geöffnete Kanalpore strömen Ionen ein und lösen ein elektrisches Signal in der Nervenzelle aus.

Eine 0,05 Millimeter dicke Glasfaser leitet blaues Laserlicht zum Gehirn der Larve (links, Mitte) und aktiviert in einem kleinen Teil des Gehirns Nervenzellen mit den lichtempfindlichen Channelrhodopsinen (rechts). Aus den Schwanzbewegungen können die Forscher auf die Funktion der Nervenzellen schließen. Damit das Tier nicht wegschwimmen kann, ist es bis zum Schwanz in ein Agar-Gel eingebettet (Mitte, rechts: grauer Bildbereich). Bild vergrößern
Eine 0,05 Millimeter dicke Glasfaser leitet blaues Laserlicht zum Gehirn der Larve (links, Mitte) und aktiviert in einem kleinen Teil des Gehirns Nervenzellen mit den lichtempfindlichen Channelrhodopsinen (rechts). Aus den Schwanzbewegungen können die Forscher auf die Funktion der Nervenzellen schließen. Damit das Tier nicht wegschwimmen kann, ist es bis zum Schwanz in ein Agar-Gel eingebettet (Mitte, rechts: grauer Bildbereich). [weniger]

Doch das allein reichte nicht aus. Denn damit die Forscher gezielt einzelne Nervenzellen an- und ausschalten können, dürfen die lichtempfindlichen Proteine nur in diesen Zellen vorkommen. Hier halfen Baier und seinen Kollegen moderne molekularbiologische Methoden, die es ermöglichen, Fische genetisch zu verändern. Damit konnten die Forscher neue Gene so im Erbgut platzieren, dass sie ausschließlich in einem bestimmten Gewebe oder Zelltyp aktiv werden – doch in welchem, das wissen die Wissenschaftler vorher nicht.

Deshalb müssen sie aus einer Fülle unterschiedlicher genetischer Linien die Fische identifizieren, in denen die Kanäle in Nervenzellen gebildet werden, die für das zu untersuchende Verhalten wichtig sind. Auf diese Weise stießen die Forscher auf einen Zelltyp, dessen Aktivität Schwimmbewegungen auslösen kann: „Jedes Mal, wenn der Laserstrahl diese Zellen im Rückenmark aktivierte, begannen die Larven wie beim gewöhnlichen Schwimmen mit dem Schwanz zu schlagen. Blockierten wir die Zellen, dann hörte auch das Schwanzschlagen auf“, sagt Baier.

 
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