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Reizweiterleitung in Nervenzellen Forscher schmücken Neurone mit dimmbarer Lichterkette

Redakteur: Christian Lüttmann

Ein elektrischer Impuls rast seinen Pfad die Nervenzelle entlang. Dabei hinterlässt er eine Spur aus Dunkelheit, die seinen Weg nachverfolgen lässt. Forscher der Universitäten Bonn und Kalifornien (USA) haben Neurone nämlich mit einer Art Nano-Lichterkette zum Leuchten gebracht und zeigen durch gedimmte Lichter, wo die Nervenzellen aktiv sind. Diese Technik war zwar schon verfügbar, ist nun aber weiterentwickelt und verbessert worden.

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Bild einer lebendigen im Labor gezüchteten Nervenzelle: Die Membran, die sie umgibt, leuchtet hell, da an ihrer Außenseite ein fluoreszierendes Protein sitzt
Bild einer lebendigen im Labor gezüchteten Nervenzelle: Die Membran, die sie umgibt, leuchtet hell, da an ihrer Außenseite ein fluoreszierendes Protein sitzt
(Bild: Milan Pabst)

Bonn, Kalifornien/USA – Wenn wir an einer Tube Sonnenmilch riechen, erzeugen die Sinneszellen der Nase elektrische Pulse. Über den Riechkolben (Bulbus olfactorius) im Gehirn gelangen sie in die primäre Riechrinde, die sie dann an verschiedene Hirnzentren verteilt. Im Hippocampus und anderen Regionen wird dann zum Beispiel die Erinnerung an längst vergangene Sommerurlaube am Meer heraufbeschworen.

Während der vergangenen Jahrzehnte haben Hirnforscher eine immer genauere Vorstellung davon bekommen, wie das Gehirn Reize verarbeitet und welchen Weg die elektrische Erregung dabei nimmt. An vielen Stellen ist dieses Bild aber noch sehr grob. Abhilfe könnte eine Methode schaffen, die Wissenschaftler der Universität Bonn und der University of California in Los Angeles nun vorgestellt haben. Sie haben einen schon länger bekannten molekularen Spannungssensor weiter optimiert.

Lichterkette für Nervenzellen

Nervenzellen leiten elektrische Signale über biologische „Kabel“ – die Axone – an andere Nervenzellen weiter. Jede Nervenzelle ist von einer dünnen Membran umhüllt, die sie von ihrer Umgebung trennt. Im Ruhezustand befinden sich an der Außenseite dieser Membran viele positiv geladene Ionen, deutlich mehr als auf der Innenseite. Zwischen Innen und Außen besteht also eine elektrische Spannung. Neurowissenschaftler sprechen von einem Membranpotenzial.

Wenn ein Signal eine bestimmte Stelle des Axons passiert, ändert sich dieses Potenzial dort kurzzeitig. „Und diese Änderung können wir sichtbar machen“, sagt Prof. Dr. Istvan Mody vom Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung (IEECR) des Universitätsklinikums Bonn. Dazu hängen die Forscher den Nervenzellen gewissermaßen eine Lichterkette um. Das Besondere daran: Jedes Lämpchen dieser Kette trägt einen spannungsabhängigen Dimmer. Dadurch wird es dunkler, wenn sich das Membranpotenzial am Ort des Lämpchens ändert.

Die Erregungs-Weiterleitung wird auf diese Weise also als eine Art „Dunkelheits-Tropfen“ sichtbar, der am Axon entlangläuft. Als Lichterkette dienen den Forschern dabei fluoreszierende Proteine. „Das Gen dafür haben wir in die Zellen eingeschleust“, erklärt Mody. Die Wissenschaftler haben die Erbanlage zudem mit einer Art Versandetikett versehen, damit sie an die richtige Stelle gebracht wird. „Dieses Label sorgt dafür, dass die Fluoreszenz-Farbstoffe direkt nach ihrer Herstellung an die Außenseite der Membran transportiert werden. Eine Art Anker stellt dann sicher, dass sie dort bleiben.“

Ein Dark Quencher dimmt das Fluoreszenzlicht

Wie haben die Forscher es nun geschafft, die Helligkeit der Nano-Lampen abhängig vom Membranpotenzial einzustellen? Der dafür eingesetzte Dimmer ist nicht Teil des leuchtenden Fluoreszenzmoleküls, sondern ein weiteres Molekül: ein so genannter Dark Quencher. Normalerweise befindet er sich auf der Innenseite der Membran, wo er keinen Effekt hat. Durch die Spannungsänderung bei der Signalweiterleitung wechselt er jedoch nach außen – wie ein Schieberegler an einem Mischpult. Dort trifft er auf die Fluoreszenz-Proteine und schirmt sie ab. Die Nano-Lampe wird dadurch dunkler. Sobald sich das Potenzial normalisiert, kehrt der Dark Quencher auf die Innenseite zurück, und die Leuchtkraft erhöht sich wieder.

Dimmbare „Nano-Lampe“: Der Farbstoff GPI-EGFP emittiert bei Bestrahlung Licht. Gelangt der Dark Quencher D3 auf die Außenseite der Membran, schirmt er die Nano-Lampe ab – es wird dunkler.
Dimmbare „Nano-Lampe“: Der Farbstoff GPI-EGFP emittiert bei Bestrahlung Licht. Gelangt der Dark Quencher D3 auf die Außenseite der Membran, schirmt er die Nano-Lampe ab – es wird dunkler.
(Bild: AG Mody / IEECR, Universität Bonn)

„Im Grunde ist diese Methode nicht neu“, sagt Studienleiter Mody. „Wir haben sie aber an zwei Stellen grundlegend verbessert.“ Die erste Änderung betrifft die Fluoreszenz-Proteine. Die wurden bislang direkt in die Membran integriert, was die Funktion der Neurone erheblich stört. Die neuen Nano-Lampen dagegen sitzen außerhalb der Membran. Sie bleichen zudem nicht so schnell aus, sondern behalten 40 Minuten ihr Leuchtvermögen – viermal so lang wie herkömmliche Fluoreszenz-Farbstoffe.

Frühere Dimmer waren giftig und explosiv

Die zweite Änderung betrifft den Dark Quencher: Die Verbindung, die normalerweise dafür eingesetzt wird, ist giftig und zudem hochexplosiv. Sie wurde sogar im zweiten Weltkrieg als Sprengstoff genutzt, wie die Forscher erklären. „Unser Quencher ist dagegen völlig ungefährlich“, betont Mody. „Er reagiert außerdem noch schneller und empfindlicher auf kleinste Potenzial-Änderungen. Dadurch lassen sich mit unserer Methode bis zu 100 elektrische Pulse pro Sekunde sichtbar machen.“

Die neue Methode erlaubt es, die Funktion von Nervenzellen zu beobachten, ohne sie dabei zu stören. Damit wird es zum Beispiel möglich, bei bestimmten neuronalen Erkrankungen einen genaueren Einblick in die damit verbundenen Fehlfunktionen zu bekommen. Letztlich ist sie ein neues vielversprechendes Werkzeug, um die Arbeitsweise des Gehirns besser zu verstehen.

Originalpublikation: Therese C. Alich, Milan Pabst, Leonie Pothmann, Bálint Szalontai, Guido C. Faas, and Istvan Mody: A dark quencher genetically encodable voltage indicator (dqGEVI) exhibits high fidelity and speed. PNAS February 9, 2021 118 (6); DOI: 10.1073/pnas.2020235118

(ID:47114099)