Ein detaillierter Blick auf Neuronen im Gehirn

Neuronen speichern, verarbeiten und übermitteln Informationen über elektrische Impulse. Bisherige Methoden beschränkten sich darauf, entweder Korrelationen zwischen neuronaler Antwort und Veränderungen der Umgebung herzustellen, oder Neuronen zu stimulieren, um dann Verhaltensreaktionen aufzuzeichnen.

Das Projekt MANIPULATENEURALCODE (Determination of the neural code, or how the brain processes and stores information, by recording and stimulating neural activity in awake behaving mice) verknüpfte nun beide Ansätze. Durch Manipulation spezifischer Neuronen und ihrer Aktivität sollten räumlich-zeitliche Aktivitätsmuster enthüllt werden, die Wahrnehmung oder Aktivität beeinflussen.

Mittels erweiterter Zwei-Photonen-Mikroskopie wurde die neuronale Aktivität auf Einzelzellebene aufgezeichnet und gezielt manipuliert. Insbesondere wurde ein nicht-invasives optogenetisches Kalziumbildgebungsverfahren entwickelt, um gleichzeitig mehrere Neuronen aufzunehmen und zu stimulieren und den Verhaltenseffekt an Mausmodellen zu beobachten. Auf diese Weise sind quantitative Analysen an neuronalen Netzen möglich.

So gelang mittels Optogenetik erstmals an bis zu 20 ausgewählten Neuronen die präzise räumlich-zeitliche Aktivierung bei wachen und aktiven Tieren. Bei der gleichen neuronalen Population konnte damit unter verschiedenen Verhaltensbedingungen Photostimulation durchgeführt werden.

Das optogenetische Toolkit von MANIPULATENEURALCODE erlaubt in vivo hochdurchsatzfähige, flexible Langzeitanalysen am Gehirn von Säugern. Vor allem aber können mit dieser sehr präzisen nicht-invasiven Technik funktionale neuronale Schaltkreise in hoher räumlich-zeitlicher Auflösung analysiert werden. Die Forschungsergebnisse erschienen bereits in der renommierten Fachzeitschrift Nature Methods (Packer et al, 2015).

Das vom Projekt entwickelte Toolkit kann Untersuchungen zum neuronalen Code und natürlichen Aktivitätsmustern in neuronalen Schaltkreisen vereinfachen. So kann es dazu beitragen, Hirnfunktionsstörungen bei schweren Erkrankungen wie Angststörungen, Depressionen, Drogensucht, Autismus und Bewegungsstörungen zu erforschen und zu heilen, um die Lebensqualität der Millionen von Betroffenen zu verbessern.