Neue Aufmerksamkeit für das Potenzial der Optogenetik
Um die Funktionsweise des Gehirns verstehen zu können, bedarf es zuerst der Bildgebung. Für die Untersuchung komplexerer Hirnfunktionen braucht es jedoch eine fortschrittliche Technologie, die weit über den derzeitigen Stand der Technik hinausgeht. Initiativen wie das EU-finanzierte Projekt BrainBIT helfen dabei, diese Lücke zu schließen. Mit dem ehrgeizigen Ziel, mittels Licht verhaltensrelevante neuronale Aktivitätsmuster zwischen Versuchsobjekten zu übertragen, begann das Projekt damit, optische Technologien zu entwickeln, mit denen neuronale Aktivität bei Tieren wie Zebrafischlarven und Mäusen gleichzeitig erfasst und gesteuert werden kann.
Zwei-Photonen-Anregung für eine bessere spektrale Trennung
Vielleicht ist es nicht erstaunlich, dass dieses Vorhaben schwieriger war als ursprünglich erwartet. „Da die Hirnwellenlängen, die für Fluoreszenzanregung und optogenetische Stimulation genutzt wurden, zu eng beieinander lagen, liefen wir Gefahr, eine saubere Trennung dieser beiden Funktionen zu beeinträchtigen“, erklärt Francesco Pavone, Physiker an der Universität Florenz und BrainBIT-Projektkoordinator. Zur Lösung dieses Problems wechselten die Forschenden von einer Ein-Photonen-Anregung zu einer Zwei-Photonen-Anregung sowohl für die Fluoreszenzanregung als auch die optogenetische Stimulation. „Da bei der Zwei-Photonen-Anregung eine Wellenlänge gebraucht wird, die fast doppelt so groß ist wie die der Zwei-Photonen-Version, konnten wir eine bessere spektrale Trennung sicherstellen“, so Pavone. Das Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat unterstützt.
Nutzung von Licht als neuromodulatorische Intervention bei Schlaganfall
Mit der Zwei-Photonen-Anregung als Instrument entwickelte das Projekt ein hochmodernes optisches System, das in der Lage ist, eine schnelle, funktionelle Bildgebung des gesamten Gehirns der Zebrafischlarve zu liefern. Das System ermöglicht außerdem die gleichzeitige Optostimulation der arbiträren neuronalen Muster. „Wir konnten dieses System erfolgreich nutzen, um epileptische Anfälle aufzuzeichnen und zum ersten Mal ein besonderes Ausbreitungsmuster zu beschreiben, das einer Welle ähnelt, die sich durch das Larvenhirn bewegt“, merkt Pavone an. Unter Nutzung eines zweiten optischen Aufbaus wandte das Forschungsteam optogenetische Stimulation als eine präklinische therapeutische Intervention bei Mäusen mit Schlaganfall an. „Damit wird die Möglichkeit eines kompetenten Einsatzes von Licht als eine neuromodulatorische Intervention zur Verbesserung der Wiederherstellung beeinträchtigter Körperfunktionen nach einem Schlaganfall aufgezeigt“, ergänzt Pavone.
Überführung der Ergebnisse in offene Quellen
Das BrainBIT-Projekt ist nun beendet, doch Pavone verfolgt große Pläne, wie die Ergebnisse genutzt werden sollen. „Wir denken, dass die während des Projekts entwickelten Technologien für andere Neurowissenschaftlerinnen und -wissenschaftler sehr hilfreich sein werden, und möchten ihre weitverbreitete Nutzung fördern“, so Pavone. „Aus diesem Grund planen wir, die optischen Systeme in quelloffene optische Module umzuarbeiten, die jeder und jede selbst erstellen kann, wodurch die Kosten für den Zugang zu diesen hochmodernen Technologien reduziert würden.“ Pavone arbeitet außerdem daran, die schnellen Bildgebungssysteme des Projekt weiter voranzubringen, und plant, die Nutzung von Optogenetik als eine präklinische Intervention zur Hemmung entstehender anomaler neuronaler Aktivität bei Zebrafischen vor dem Einsetzen eines erkennbaren Anfalls zu testen. Darüber hinaus möchte er herausfinden, ob das Bildgebungssystem dafür genutzt werden kann, gleichzeitig Hirn- und Herzaktivität aufzuzeichnen.
Schlüsselbegriffe
BrainBIT, Neurowissenschaftlerinnen und -wissenschaftler, Optogenetik, Schlaganfall, Gehirn, Bildgebung, neuronale Aktivität, optische Technologien, Hirnwellenlängen, Fluoreszenzanregung, optogenetische Stimulation, epileptische Anfälle
