Mit Licht und künstlicher Intelligenz die Geheimnisse des Gehirns entschlüsseln
Wie einzelne Neuronen zusammenarbeiten, um Gedanken, Gefühle und Handlungen zu erzeugen, stellt nach wie vor ein großes Rätsel dar. Um die Aktivität des Gehirns zu erforschen, werden in der Neurowissenschaft neuronale Zellen, sowohl einzeln als auch in ihrer Gesamtheit, mit einer Vielzahl von Methoden untersucht, einschließlich durch Messung der elektrischen Aktivität, Untersuchung chemischer Reaktionen und Steuerung der Zellen mit Licht.
Eine innovative experimentelle Plattform zur Erforschung neuronalen Verhaltens
Das Projekt ISLAND wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) durchgeführt und zielte darauf ab, einen Versuchsaufbau zu schaffen, der die Macht der Lichtsteuerung zusammen mit genetischer Manipulation oder Optogenetik nutzt, um Gehirnzellen in einer Laborumgebung zu untersuchen. „Wir wollten neuronale Netzwerke in 2D und 3D verstehen und so neue Einblicke in die Funktion des Gehirns erlangen“, erklärt der leitende Forscher Lorenzo Pavesi. Zusammen mit dem MSCA-Stipendiaten Ilya Auslender konzipierten die Forschenden ein Experimentsystem, das aus drei verschiedenen Einheiten besteht. Die „Schreibeinheit“ bestand aus einem optischen System, das präzise Lichtmuster ausstrahlte, die als Auslöser für die Stimulation genetisch veränderter Neuronen dienten. Die „Leseeinheit“ konnte über ein Mikroelektroden-Array die von den kultivierten Neuronen ausgehenden elektrischen Signale erfassen und in Daten übersetzen. Diese Aufzeichnungen wurden dann von der Einheit „Verarbeitung und Kontrolle“ ausgewertet.
Kartierung neuronaler Netze
Die Forschenden kultivierten erfolgreich Hirnrindenzellen auf Glas-Chips mit Mikroelektroden-Arrays und synthetisierten sie so, dass sie ein lichtempfindliches Protein exprimieren. Das bildete den Grundstein für kontrollierte optogenetische Experimente. Die lichtbasierte Stimulation wurde durch einen digitalen Lichtprozessor umgesetzt, der die genetisch veränderten Neuronen mit maßgeschneiderten Lichtmustern beleuchtete. Um diese Reaktionen nachzuvollziehen, mussten fortschrittliche Analyseinstrumente entwickelt werden. Mithilfe von künstlicher Intelligenz (KI) haben die Forschenden ein System eingerichtet, das die elektrischen Signale der Nervenzellen auslesen und eine makroskopische Karte erstellen kann, die zeigt, wie diese Zellen kommunizieren und sich zu einem Netzwerk verbinden. Das daraus resultierende Modell bot ein makroskopisches Diagramm, das die Struktur der untersuchten Kultur abbildet. Jeder Knoten in diesem Diagramm symbolisierte einen neuronalen Schaltkreis oder eine Population von Neuronen, und die Verbindungen zwischen den Knoten stellten die gewichteten Interaktionen zwischen diesen Populationen dar. Insgesamt zeigte das KI-Modell eine bemerkenswerte Genauigkeit bei der Aufdeckung der funktionellen Konnektivität des neuronalen Netzwerks.
Künftige Möglichkeiten und Anwendungen
Das Projekt ISLAND eröffnete zahlreiche Chancen, In-vitro-Anwendungen und Forschungsinitiativen auszuweiten. Die sorgfältig konzipierte optogenetische Konfiguration, in der optische und genetische Methoden nahtlos kombiniert sind, wurde bereits in laufenden Studien eingesetzt, die sich um die Verwendung innovativer lichtbasierter Interventionen zur Unterdrückung epileptischer Anfälle drehen. Das KI-Modell kann auf eine Vielzahl von Studien angewandt werden, die eine detaillierte Analyse von elektrophysiologischen Signalen an mehreren Stellen beinhalten. So könnte sie beispielsweise in der pharmakologische Forschung angewendet werden, um Erkenntnisse darüber zu erhalten, wie das Nervensystem auf verschiedene Substanzen reagiert. Darüber hinaus kann es bei der Kartierung des Gehirns eingesetzt werden. Die detaillierte Analyse des Modells könnte dabei helfen, die komplizierte Dynamik neuronaler Netze aufzudecken und mehr darüber zu erfahren, wie das Gehirn funktioniert und wie seine Komponenten miteinander verbunden sind. „Unsere Ergebnisse sind nicht nur für die kreative Forschung in kontrollierten Laborumgebungen nützlich, sondern bergen das Potenzial, den Fortschritt in verschiedenen komplexen Bereichen voranzutreiben, in denen ein tiefes Verständnis der neuronalen Dynamik und Verbindungen entscheidend ist“, betont Auslender.
Schlüsselbegriffe
ISLAND, Gehirn, Neuronen, Optogenetik, künstliche Intelligenz, KI, Mikroelektroden-Array, Modell, epileptische Anfälle
