Neurobiologie: Eine wahre Leuchte

Um die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn zu erfassen, setzten Neurobiologen bisher Mikroelektroden ein. Doch diese Methode stößt an ihre Grenzen, will man Zellaktivitäten an vielen Stellen im Gehirn gleichzeitig erfassen. Max-Planck-Forschern gelang es jetzt mit einer optischen Methode, die Nervenzellen in einem Säugetiergehirn in Aktion zu beobachten.

Der menschliche Körper besteht zu zwei Prozent aus Kalzium, wovon 99 Prozent in Knochen und Zähnen gebunden ist. Das restliche, in und zwischen den Zellen befindliche Kalzium spielt eine wichtige Rolle bei vielen zellulären Prozessen, vom Ablesen von Genen über die Signalverarbeitung bis hin zur Muskelkontraktion.

Als Grundlage für die Signalverarbeitung dient ein Konzentrationsgefälle von Kalzium-Ionen zwischen Zellinnern und außen, wobei die äußere Kalzium-Konzentration mehrere Tausend Mal größer ist als die in der Zelle. Wenn sich Ionenkanäle in der Zellmembran öffnen, dann strömen Kalzium-Ionen in die Zelle ein, sodass sich die Membranspannung entsprechend verändert: Die Zelle wurde elektrisch erregt. Auch bei der Übertragung des Signals von einer Nervenzelle zu nächsten spielt Kalzium eine zentrale Rolle. Denn über chemische Botenstoffe öffnet die Nervenzelle die Kalzium-Kanäle ihrer Nachbarin, sodass diese ebenfalls elektrisch erregt wird.

Auf die eine oder andere Weise ist Kalzium folglich an der neuronalen Signalverarbeitung und -weiterleitung wesentlich beteiligt. Daher bietet es sich an, die Kalzium-Dynamik, also die Veränderung und Regulation der zellulären Kalzium-Konzentration, als Indikator für Nervenzellaktivität zu messen.

Transgene Maus | Eine mit einem Kalzium-Indikator versehene transgene Maus sitzt auf einer Kalzium-Aktivitätskarte des Riechhirns.

Mazahir Hasan und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung haben daher transgene Mäuse geschaffen, in deren Gehirn sich das Kalzium optisch verfolgen ließ. Dazu verwendeten sie fluoreszierende Kalzium-Indikatorproteine (fluorescent calcium indicator protein oder FCIPs), die ihre Fluoreszenz dann ändern, wenn sie Kalzium binden. In den späten 1990er Jahren entwickelt, haben sich derartige FCIPs bereits bei Würmern, Taufliegen und Zebrafischen bestens bewährt, doch bis vor kurzem misslang ihr Einsatz im Gehirn von Säugetieren.

Die Heidelberger Forscher benutzten einen regulatorischen Genabschnitt, um die FCIPs in das Gehirn der Mäuse einzuschleusen. Zunächst stimulierten die Forscher isolierte Gehirnschnitte der Mäuse mit Reizen, von denen bekannt ist, dass sie zu einer Erhöhung der intrazellulären Kalzium-Konzentration führen. Wie erwartet, stieg die FCIP-Fluoreszenz als Folge des Reizes rasch an.

Doch nicht nur im Zellgewebe, auch bei lebenden Tieren funktionierte der Kalzium-Nachweis: So konnten die Forscher beispielsweise über Gerüche erhebliche Fluoreszenzänderungen bei den Mäusen auslösen. Auch acht bis zwölf Wochen alte Mäuse zeigten robuste FCIP-Signale, die Indikatorproteine blieben also stabil.

Mit ihrer neuen Methode wollen die Max-Planck-Forscher chirurgische Eingriffe vermeiden, wie sie bisher nötig waren, um Indikatorfarbstoffe in das Nervensystem von Versuchstieren einzubringen. Die Methode eignet sich auch für lebende Tiere; hier können die FCIPs anzeigen, wo und wann Neuronen aktiv sind. Und nicht zuletzt: FCIP-Mäuse können mit Mäusen gekreuzt werden, die Mutationen in für die Nervenzellaktivität wichtigen Genen tragen, und so klären helfen, welche Rolle diese Gene in neuronalen Netzwerk spielen.