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Optogenetik

Mit Licht aktivierbare Proteine erlauben es, mit bisher unbekannter Präzision Nervenzellen selektiv an- oder abzuschalten. Mit Hilfe solcher optogenetischen Schalter in Zellen in der Kultur oder im Gehirn lebender Tiere werden komplexe Nervennetze erforscht. Diese Technologie birgt großes Potenzial für biomedizinische Anwendungen – etwa die Wiederherstellung des Sehvermögens bei bestimmten Erblindungen oder die Behandlung neurologischer Störungen.

Unser Nervensystem ist – vereinfacht gesagt – ein sehr komplexer elektrischer Schaltkreis. Jedes Neuron enthält in seiner Hülle, der Zellmem­bran, eine Vielzahl von Proteinen, die als Pumpen oder Kanäle den Durchtritt von Ionen regulieren. Im Ruhezustand wird dabei stets ein negatives Membranpotenzial aufrechterhalten. Aktivierende Signale wie das Andocken bestimmter Botenstoffe (Neurotransmitter) bewirken, dass positiv geladene Ionen in die Zelle einströmen.

LICHTSCHALTER

Dadurch kommt es zur Depolarisation der Membran. Überschreitet sie eine bestimmte Schwelle, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst: Ein schneller Einstrom von ­Natriumionen kehrt das Vorzeichen des Membranpotenzials schlagartig um und öffnet wie fallende Dominosteinen weitere Natriumkanäle längs des Axons. Dieser Nervenimpuls bewirkt, dass an den Enden des Axons, den Synapsen, Neurotransmitter ausgeschüttet werden. Sie fördern oder hemmen wiederum die Entstehung elektrischer Impulse im Empfängerneuron.

Herkömmliche Methoden, mit denen man diese Prozesse an Nervenzellen untersuchte, beruhen auf der direkten Stimulation durch Mikroelektroden. Ihre räumliche und zeitliche Präzision ist jedoch sehr begrenzt. Eine nennenswerte Verbesserung brachte zunächst der Einsatz von »eingesperrten« (englisch: caged) Neurotransmittern, die erst durch einen gezielten Laserblitz freigesetzt werden. Um Neurone auf diese Weise zu stimulieren, muss man jedoch die Entstehung toxischer Photoprodukte in Kauf nehmen.

Den Durchbruch brachten schließlich die kürzlich entwickelten optogenetischen Werkzeuge: mikrobielle Rhodopsine, die als genetisch kodierte Schalter fungieren und es somit erlauben, Nervenzellen gezielt durch Licht zu steuern1,2. Neurone lassen sich damit spezifisch, nichtinvasiv und mit höchster räumlicher Auflösung aktivieren. Das eröffnet Forschern völlig neue Wege, die Aktivität einzelner Nervenzellen zu studieren – und zwar in der Kultur ebenso wie in größeren neuronalen Netzen im Gehirn lebender Tiere. Auch mögliche erste biomedizinische Anwendungen zeichnen sich bereits ab: So macht dieser innovative Ansatz Patienten mit Sehbehinderungen oder neurologischen Störungen wie Epilepsie oder Parkinson’scher Krankheit neue Hoffnung auf Heilung.

 
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