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Gentechnisch hergestelltes „Magneto“-Protein steuert Gehirn und Verhalten aus der Ferne

31. Juli 2021 | Politik | Geo-Politik | Psychologie | Gesellschaft | Wissenschaft | Forschung | connectiv.events

„Knallharte“ neue Methode nutzt ein magnetisiertes Protein, um Gehirnzellen schnell, reversibel und nicht-invasiv zu aktivieren

Forscher in den Vereinigten Staaten haben eine neue Methode zur Steuerung der Gehirnschaltkreise entwickelt, die mit komplexen tierischen Verhaltensweisen in Verbindung stehen. Sie nutzen die Gentechnik, um ein magnetisiertes Protein zu erzeugen, das bestimmte Gruppen von Nervenzellen aus der Ferne aktiviert.

Zu verstehen, wie das Gehirn Verhalten erzeugt, ist eines der wichtigsten Ziele der Neurowissenschaften – und eine ihrer schwierigsten Fragen. In den letzten Jahren haben Forscher eine Reihe von Methoden entwickelt, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Gruppen von Neuronen aus der Ferne zu steuern und die Funktionsweise neuronaler Schaltkreise zu untersuchen.

Die leistungsfähigste dieser Methoden ist die Optogenetik, die es den Forschern ermöglicht, Populationen verwandter Neuronen mit Laserlichtimpulsen auf einer Zeitskala von Millisekunden ein- oder auszuschalten. Bei einer anderen, kürzlich entwickelten Methode, der Chemogenetik, werden künstlich hergestellte Proteine verwendet, die durch Designer-Medikamente aktiviert werden und gezielt auf bestimmte Zelltypen ausgerichtet werden können.

Obwohl beide Methoden leistungsstark sind, haben sie auch Nachteile. Die Optogenetik ist invasiv, denn sie erfordert das Einsetzen von Lichtleitfasern, die die Lichtimpulse in das Gehirn leiten, und außerdem ist das Ausmaß, in dem das Licht in das dichte Hirngewebe eindringt, stark begrenzt. Chemogenetische Ansätze überwinden diese beiden Einschränkungen, lösen aber in der Regel biochemische Reaktionen aus, die mehrere Sekunden benötigen, um Nervenzellen zu aktivieren.

Die neue Technik, die im Labor von Ali Güler an der University of Virginia in Charlottesville entwickelt und in einer Online-Vorabveröffentlichung in der Zeitschrift Nature Neuroscience beschrieben wurde, ist nicht nur nicht-invasiv, sondern kann auch Neuronen schnell und reversibel aktivieren.

 

https://t1p.de/genesisprolife

 

Mehrere frühere Studien haben gezeigt, dass Nervenzellproteine, die durch Hitze und mechanischen Druck aktiviert werden, gentechnisch so verändert werden können, dass sie für Radiowellen und Magnetfelder empfindlich werden, indem sie an ein eisenspeicherndes Protein namens Ferritin oder an anorganische paramagnetische Partikel gebunden werden. Diese Methoden stellen einen bedeutenden Fortschritt dar – sie wurden beispielsweise bereits zur Regulierung des Blutzuckerspiegels bei Mäusen eingesetzt -, erfordern jedoch mehrere Komponenten, die einzeln eingeführt werden müssen.

Die neue Technik baut auf diesen früheren Arbeiten auf und basiert auf einem Protein namens TRPV4, das sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnungskräfte reagiert. Diese Reize öffnen seine zentrale Pore, so dass elektrischer Strom durch die Zellmembran fließen kann; dadurch werden Nervenimpulse ausgelöst, die ins Rückenmark und dann zum Gehirn wandern.

Güler und seine Kollegen kamen zu dem Schluss, dass magnetische Drehmoment- (oder Rotations-) Kräfte TRPV4 aktivieren könnten, indem sie seine zentrale Pore aufreißen. Daher verwendeten sie die Gentechnik, um das Protein an die paramagnetische Region von Ferritin zu binden, zusammen mit kurzen DNA-Sequenzen, die den Zellen signalisieren, Proteine zur Nervenzellmembran zu transportieren und sie dort einzubauen.

 

 

Als sie dieses genetische Konstrukt in menschliche embryonale Nierenzellen einbrachten, die in Petrischalen wachsen, synthetisierten die Zellen das „Magneto“-Protein und bauten es in ihre Membran ein. Das Anlegen eines Magnetfeldes aktivierte das manipulierte TRPV1-Protein, was sich in einem vorübergehenden Anstieg der Kalziumionenkonzentration in den Zellen zeigte, der mit einem Fluoreszenzmikroskop nachgewiesen werden konnte.

Als nächstes fügten die Forscher die Magneto-DNA-Sequenz in das Genom eines Virus ein, zusammen mit dem Gen, das für das grün fluoreszierende Protein kodiert, und regulatorischen DNA-Sequenzen, die bewirken, dass das Konstrukt nur in bestimmten Arten von Neuronen exprimiert wird. Anschließend injizierten sie das Virus in die Gehirne von Mäusen, wobei sie den entorhinalen Kortex anvisierten, und sezierten die Gehirne der Tiere, um die Zellen zu identifizieren, die grün fluoreszierten. Mit Hilfe von Mikroelektroden wiesen sie dann nach, dass das Anlegen eines Magnetfelds an die Hirnschnitte Magneto aktiviert, so dass die Zellen Nervenimpulse erzeugen.

Um festzustellen, ob Magneto zur Beeinflussung der neuronalen Aktivität in lebenden Tieren verwendet werden kann, injizierten sie Magneto in Zebrafischlarven, wobei sie auf Neuronen im Rumpf und Schwanz abzielten, die normalerweise eine Fluchtreaktion steuern. Anschließend setzten sie die Zebrafischlarven in ein speziell angefertigtes magnetisiertes Aquarium und stellten fest, dass die Exposition gegenüber einem Magnetfeld ähnliche Einrollmanöver auslöste, wie sie bei der Fluchtreaktion auftreten. (An diesem Experiment waren insgesamt neun Zebrafischlarven beteiligt, und spätere Analysen ergaben, dass jede Larve etwa 5 Neuronen enthielt, die Magneto exprimierten).

 

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In einem letzten Experiment injizierten die Forscher Magneto in das Striatum von Mäusen, die sich frei verhalten konnten, eine tiefe Hirnstruktur, die Dopamin produzierende Neuronen enthält, die an Belohnung und Motivation beteiligt sind, und setzten die Tiere dann in einen Apparat, der in magnetisierte und nicht magnetisierte Abschnitte unterteilt war. Mäuse, die Magneto exprimierten, verbrachten viel mehr Zeit in den magnetisierten Bereichen als Mäuse ohne Magneto, da die Aktivierung des Proteins die Striatusneuronen, die es exprimieren, zur Freisetzung von Dopamin veranlasste, so dass die Mäuse den Aufenthalt in diesen Bereichen als belohnend empfanden. Dies zeigt, dass Magneto das Feuern von Neuronen tief im Gehirn fernsteuern und auch komplexe Verhaltensweisen kontrollieren kann.

Der Neurowissenschaftler Steve Ramirez von der Harvard University, der mit Hilfe der Optogenetik Erinnerungen in den Gehirnen von Mäusen manipuliert, bezeichnet die Studie als „knallhart“.

„Frühere Versuche [zur Verwendung von Magneten zur Steuerung der neuronalen Aktivität] erforderten mehrere Komponenten, damit das System funktionierte – die Injektion magnetischer Partikel, die Injektion eines Virus, das einen hitzeempfindlichen Kanal exprimiert, [oder] die Fixierung des Kopfes des Tieres, damit eine Spule Änderungen des Magnetismus hervorrufen konnte“, erklärt er. „Das Problem bei einem Mehrkomponentensystem ist, dass jedes einzelne Teil versagen kann.

„Dieses System ist ein einziger, eleganter Virus, der überall im Gehirn injiziert werden kann, was es technisch einfacher und unwahrscheinlicher macht, dass beweglicher Schnickschnack kaputt geht“, fügt er hinzu, „und ihre Verhaltensausrüstung wurde geschickt so konzipiert, dass sie an den entsprechenden Stellen Magnete enthält, so dass sich die Tiere frei bewegen können.“

Die „Magnetogenetik“ ist daher eine wichtige Ergänzung des Werkzeugkastens der Neurowissenschaftler, die zweifellos weiterentwickelt werden und den Forschern neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Gehirnentwicklung und -funktion bieten wird.
Referenz

Wheeler, M. A., et al. (2016). Genetisch gezielte magnetische Steuerung des Nervensystems. Nat. Neurosci, DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract]

 

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Donner und Vogelgesang

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