Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Sreekanth Chalasani vom Salk Institute of Biological Studies im kalifornischen La Jolla haben erstmals ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, einzelne Hirnzellen mit Hilfe von Ultraschallwellen zu aktivieren. Mit der auf den Namen "Sonogenetik" getauften Technik gelang es den Forschern so, das Verhalten von Fadenwürmern der Art Caenorhabditis elegans zu manipulieren und sie etwa abrupt ihre Bewegungsrichtung ändern zu lassen.

C. elegans ist auf Grund seines überschaubaren Nervensystems bereits seit Langem ein beliebter Modellorganismus in der Neurobiologie. Für ihren Versuch steckten Chalasani und seine Kollegen die Tiere in eine Petrischale, die sie zum Teil in einem Wasserbad versenkten. Um die Würmer empfindlicher für die Ultraschallwellen zu machen, umgaben sie die Tiere außerdem mit gasgefüllten Mikrobläschen, die im Einklang mit den Wellen oszillierten und deren Effekt so verstärkten. Sendeten die Wissenschaftler nun einen kurzen Ultraschallimpuls mit niedriger Schallintensität aus, bewegten sich die Würmer plötzlich rückwärts.

Ultraschallwellen öffnen Ionenkanäle

Verantwortlich für dieses Verhalten sind offenbar spezielle Ionenkanäle, die bei C. elegans an der Membran von manchen Nervenzellen sitzen, wie Chalasani und sein Team im nächsten Schritt herausfanden. Die besonders dehnungsempfindlichen TRP-4-Kanäle werden durch die Schallwellen geöffnet und bringen die Zelle so dazu, auf Kommando zu feuern. Um zu schauen, wie weit sie das Spiel auf diese Weise treiben können, brachten die Wissenschaftler anschließend mit gentechnischen Methoden auch verschiedene andere Neurone dazu, die TRP-4-Kanäle auszubilden. Entsprechend machten die Fadenwürmer nun besonders häufig kehrt, sobald ein Ultraschallimpuls von außen angelegt wurde – oder aber die Wahrscheinlichkeit für eine spontane Wendung nahm deutlich ab, je nachdem, welchen Zelltyp die Forscher gerade stimulierten.

Mit Hilfe der sensitiven Ionenkanäle umgingen die Forscher dabei das große Problem, das Ultraschall bisher für die gezielte Hirnstimulation eher unbrauchbar machte: Die Wellen lassen sich nämlich in aller Regel nicht genau genug fokussieren, um wirklich nur ganz bestimmte Zellen anzuregen. Bereits in früheren Versuchen gelang es Wissenschaftlern, sogar das menschliche Hirn mit Hilfe von Ultraschallwellen zu stimulieren. Sie konnten dabei jedoch nur auf ganze Regionen im Gehirn zielen und nicht auf einzelne Neurone.

Als Nächstes wollen die Forscher testen, ob ihr Verfahren auch im Gehirn von Mäusen funktioniert. Diese bilden allerdings von Haus aus keine TRP-4-Ionenkanäle aus, weshalb noch unklar ist, wie sich das Protein bei ihnen verhalten wird.

Vorteil zur Optogenetik

Im Gegensatz zu lichtbasierten Verfahren wie der Optogenetik oder der tiefen Hirnstimulation mittels Elektroden hätte die Sonogenetik im Fall des Falles den Vorteil, dass sie nicht invasiv ist: Man müsste kein Ultraschallgerät unter die Schädeldecke setzten, die Schallwellen können auch von außen tief ins Gewebe dringen. Die Mikrobläschen, so die Vorstellung der Wissenschaftler, könnte man bei Bedarf als Verstärker in die Blutbahn injizieren. Sie kommen in ähnlicher Form schon heute als Kontrastmittel bei Ultraschalluntersuchungen zum Einsatz. Zudem sind die Wellen unschädlich, die Sonografie ist bereits seit Jahrzehnten ein etabliertes Verfahren in der Medizin.

Zumindest in der Forschung würde die Sonogenetik die Optogenetik wohl trotzdem vorerst nicht ersetzen, meint der Neurobiologe William Tyler von der Arizona State University in Tempe, der sich ebenfalls mit ultraschallbasierter Hirnstimulation befasst. Dank der Arbeit von Chalasani und Kollegen hätte man womöglich aber bald ein weiteres Werkzeug zur Hand, sagte Tyler gegenüber "Nature News".

Ob das Verfahren eines Tages auch beim Menschen Anwendung finden könnte – etwa zur Therapie von Parkinson, Epilepsie oder Schlaganfall –, steht ebenfalls noch in den Sternen. Obwohl sich die Hirnstimulation per Ultraschall recht verträglich durchführen lässt, hat die Sonogenetik ähnlich wie die Optogenetik eine weitere Krux: das fremde Genmaterial, das man nämlich erst einmal in die Hirnzellen einschleusen müsste. Doch wie stellt man das unter vollkommen sicheren Bedingungen an? Und wäre das ethisch überhaupt vertretbar? Bisher hat die Forschung noch keine Antwort auf diese Fragen.

Mit viel Glück kommt die Sonogenetik vielleicht auch um dieses Problem herum, sollten sich auch im Säugetiergehirn eigene Ionenkanäle finden lassen, die bereits von sich aus empfindlich auf Ultraschallimpulse mit bestimmter Intensität reagieren. Könnte man solche Kanäle nutzbar machen, wäre Genmanipulation womöglich überflüssig.