Können gentechnisch veränderte Proteine das Gehirn und das Verhalten ferngesteuert werden?


Menschliches Gehirn symbolisch auf AI Künstliche Intelligenz Hintergrund mit blauer Beschriftung - 4-stelligen Binärcode hinter Informationen Verbindungslinien und Wabenelemente - Cyber-Technologie und Automatisierung Konzept - 3D-Illustration

Forscher in den USA haben eine neue Methode entwickelt, um die Gehirnschaltkreise zu kontrollieren, die mit komplexen Verhaltensweisen bei Tieren verbunden sind. Sie nutzen die Gentechnik, um ein magnetisiertes Protein zu erzeugen, das bestimmte Gruppen von Nervenzellen aus der Ferne aktiviert.

Ziele der Neurowissenschaft

Zu verstehen, wie das Gehirn Verhalten erzeugt, ist eines der ultimativen 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 fernzusteuern und die Funktionsweise neuronaler Schaltkreise zu untersuchen.

Die leistungsstärkste Methode ist die sogenannte Optogenetik, die es Forschern ermöglicht, Populationen verwandter Neuronen auf einer Zeitskala von Millisekunden mit Laserlichtimpulsen ein- oder auszuschalten. Eine andere, kürzlich entwickelte Methode, Chemogenetik genannt, verwendet künstlich hergestellte Proteine, die durch Designer-Medikamente aktiviert werden und auf bestimmte Zelltypen ausgerichtet werden können. Siehe pdf am Ende des Beitrags.

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, induzieren aber typischerweise biochemische Reaktionen, die mehrere Sekunden benötigen, um Nervenzellen zu aktivieren.

Fernsteuerung der Gehirnaktivität mit erhitzten Nanopartikeln

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. Lesen Sie hier.

Zellproteine gentechnisch hergestellt

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 man sie an ein eisenspeicherndes Protein namens Ferritin oder an anorganische paramagnetische Partikel ankoppelt. Diese Methoden stellen einen wichtigen Fortschritt dar - sie wurden z. B. bereits zur Regulierung des Blutzuckerspiegels bei Mäusen eingesetzt -, erfordern aber mehrere Komponenten, die einzeln eingeführt werden müssen.




TRPV4-Protein

Die neue Technik baut auf dieser früheren Arbeit auf und basiert auf einem Protein namens TRPV4, das sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnungskräfte empfindlich 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 bis zum Gehirn wandern.


Güler und seine Kollegen schlussfolgerten, dass magnetische Drehmoment- (oder Rotations-) Kräfte TRPV4 aktivieren könnten, indem sie seine zentrale Pore aufreißen, und so nutzten sie die Gentechnik, um das Protein an die paramagnetische Region von Ferritin zu fusionieren, zusammen mit kurzen DNA-Sequenzen, die den Zellen signalisieren, Proteine zur Nervenzellmembran zu transportieren und in diese einzufügen.

 

In-vivo-Manipulation des Verhaltens von Zebrafischen mit Magneto. Zebrafisch-Larven zeigen ein Einrollverhalten als Reaktion auf lokale Magnetfelder. Aus Wheeler et al. (2016).

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 durch einen 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. Dann injizierten sie das Virus in die Gehirne von Mäusen, wobei sie auf den entorhinalen Kortex abzielten, und sezierten die Gehirne der Tiere, um die Zellen zu identifizieren, die grüne Fluoreszenz ausstrahlten. Mit Hilfe von Mikroelektroden zeigten sie dann, dass das Anlegen eines Magnetfeldes an die Hirnschnitte Magneto aktiviert, so dass die Zellen Nervenimpulse erzeugen.

Um herauszufinden, ob Magneto verwendet werden kann, um die neuronale Aktivität in lebenden Tieren zu manipulieren, injizierten sie Magneto in Zebrafischlarven und zielten dabei auf Neuronen im Rumpf und Schwanz, die normalerweise eine Fluchtreaktion kontrollieren. Anschließend setzten sie die Zebrafisch-Larven in ein speziell gebautes, 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).

Forscher lesen und schreiben Gehirnaktivität mit Licht

In einem letzten Experiment injizierten die Forscher Magneto in das Striatum von frei verhaltenden Mäusen, eine tiefe Hirnstruktur, die Dopamin-produzierende Neuronen enthält, die an Belohnung und Motivation beteiligt sind, und setzten die Tiere dann in eine Apparatur, die in magnetisierte und nicht-magnetisierte Abschnitte aufgeteilt war. Mäuse, die Magneto exprimierten, verbrachten viel mehr Zeit in den magnetisierten Bereichen als Mäuse, die es nicht taten, weil die Aktivierung des Proteins die striatalen Neuronen, die es exprimieren, veranlasste, Dopamin freizusetzen, 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".  Lesen Sie hier.

"Badass" ist eine neue Methode, die ein magnetisiertes Protein verwendet, um Gehirnzellen schnell, reversibel und nicht-invasiv zu aktivieren.

Screenshot von twitter.com

"Frühere Versuche [mit Magneten zur Kontrolle der neuronalen Aktivität] benötigten mehrere Komponenten, damit das System funktionierte - die Injektion von magnetischen Partikeln, die Injektion eines Virus, das einen hitzeempfindlichen Kanal exprimiert, [oder] die Fixierung des Kopfes des Tieres, so dass eine Spule Änderungen im Magnetismus induzieren konnte", erklärt er. "Das Problem bei einem Mehrkomponentensystem ist, dass es so viel Raum für jedes einzelne Teil gibt, um zusammenzubrechen."

"Dieses System ist ein einziger, eleganter Virus, der überall im Gehirn injiziert werden kann, was es technisch einfacher und weniger wahrscheinlich macht, dass der bewegliche Schnickschnack kaputt geht", fügt er hinzu, "und ihre Verhaltensausrüstung wurde geschickt so gestaltet, dass sie an den entsprechenden Stellen Magnete enthielt, so dass sich die Tiere frei bewegen konnten."

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.


Die toroidale Magnetkammer (Tokamak) des Joint European Torus (JET) im Culham Science Centre. Photograph: AFP/Getty Images
Die toroidale Magnetkammer (Tokamak) des Joint European Torus (JET) im Culham Science Centre.

Anhang

DREADD: Eine chemogenetische GPCR-Signalisierungsplattform

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