Neues lichtgesteuertes Werkzeug ermöglicht schonende und präzise Hemmung von Nervenzellen

Ein Forschungsteam mit mehreren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des MPINB, darunter der ehemalige Doktorand Nidish Ponath Sadanandan, Wolfgang Bönigk und Reinhard Seifert, hat an der Entwicklung eines neuen optogenetischen Werkzeugs namens RoCK mitgewirkt. Mit dieser Methode können Nervenzellen mithilfe von Licht schonend und gezielt beruhigt werden, und zwar auf eine Weise, die natürlichen Prozessen im Gehirn sehr nahekommt.

Warum Nervenzellen mit Licht ausschalten?

Um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert, müssen Forschende Nervenzellen häufig zeitlich und räumlich präzise an- oder ausschalten. Lichtbasierte Werkzeuge eignen sich dafür sehr gut, da sie sehr genau einzelne Zelltypen adressieren können, ohne umliegende Zellen zu beeinflussen. Das Ausschalten von Nervenzellen war jedoch lange schwierig, da viele bisherige Werkzeuge die Ionenverhältnisse der Zelle in einer Weise verändern, die natürlicherweise kaum vorkommt.

Ein natürlicherer Weg, Nervenzellen zu beruhigen

RoCK verfolgt einen anderen Ansatz. Es kombiniert ein lichtsensitives Protein, das einen Botenstoff namens cGMP produziert, mit einem Kaliumkanal, der so verändert wurde, dass er sich genau dann öffnet, wenn dieser Botenstoff vorhanden ist. Kaliumkanäle stabilisieren normalerweise den Ruhezustand von Nervenzellen. Wird RoCK aktiviert, werden die Zellenruhiger, ähnlich wie das Gehirn selbst Aktivitäten dämpft. Dadurch wirkt RoCK besonders schonend und ist physiologisch gut verträglich.

Was macht RoCK besonders?

• Schnelle Reaktion: Es spricht innerhalb von Millisekunden auf grünes oder sogar rotes Licht an.
• Feine Steuerbarkeit: Die Stärke der Hemmung kann präzise gesteuert werden.
• Geringe Hintergrundaktivität: Im Dunkeln bleibt das System inaktiv, was unerwünschte Effekte reduziert.
• Modularer Aufbau: Die beiden Komponenten lassen sich flexibel an unterschiedliche experimentelle Anforderungen anpassen.

Getestet in Nervenzellen, Herzmuskelzellen und lebenden Tieren

• Mausneuronen: Kurze Lichtimpulse konnten die Aktivität für mehrere Sekunden dämpfen.
• Herzmuskelzellen: RoCK hemmte oder verkürzte elektrische Signale, ohne den Ruhezustand der Zellen zu beeinflussen.
• Zebrafischembryonen: In lebenden Tieren wurden Motorneuronen schnell und reversibel zur Ruhe gebracht, und das typische Coiling-Verhalten kam zum Stillstand.

Warum das wichtig ist

RoCK erweitert das optogenetische Repertoire um eine wichtiges neues Werkzeug. Dank seiner Präzision und seiner sanften Wirkungsweise kann es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern dabei helfen, besser zu verstehen, wie neuronale Netzwerke Verhalten steuern. Dies ist ein zentrales Forschungsziel am MPINB.

Beitrag des MPINB

Am MPINB entwickelten und optimierten Nidish, Wolfgang und Reinhard den cGMP-gesteuerten Kanal, der ein zentrales Element des RoCK-Systems bildet.

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