August 16, 2006
La Jolla, Kalifornien – Mithilfe von Molekülen, die an der Häutung von Insekten beteiligt sind, haben Forscher am Salk Institute for Biological Studies eine Labormethode entwickelt, die Neuronen im Gehirn und Rückenmark lebender Tiere schnell ausschalten und genauso schnell wieder einschalten kann .
Das sogenannte „AlstR/AL-System“, detailliert in der Ausgabe vom 20. Juli Neuronstellt laut den Wissenschaftlern einen bedeutenden Fortschritt in der Erforschung der Neurowissenschaften dar, da es nun möglich ist, die Aktivität bestimmter neuronaler Zelltypen präzise zu steuern, um ihre Rolle in komplexen Netzwerken zu verstehen.
Diese neuartige Methode wird helfen zu erklären, wie Informationen im Gehirn verarbeitet werden; und welche spezifischen Nervenzellen zusammenarbeiten, um Empfindung, Wahrnehmung und motorische Kontrolle zu vermitteln. Das Verständnis der neuronalen Schaltkreise, die der Gehirnfunktion zugrunde liegen, ist ein entscheidender Schritt zur Entwicklung besserer Geräte zur Reparatur des erkrankten Gehirns.
„Diese Technik eignet sich gut für detaillierte Studien neuronaler Schaltkreise, Wahrnehmung und Verhalten mit einer Auflösung, die noch nie zuvor möglich war“, sagt der Hauptautor der Studie. Edward M. Callaway, Ph.D., ordentlicher Professor an den Systems Neurobiology Laboratories.
„Andere Methoden, die bisher verwendet wurden, um die Rolle spezifischer Neuronen zu untersuchen, indem man sie zum Schweigen brachte, führten oft dazu, dass die interessierenden Zellen abgetötet wurden, oder sie waren zu langsam, um den Zweck dieser Zellen angemessen zu verstehen“, sagt Callaway.
Neurowissenschaftler versuchen, den Beitrag jeder der Tausenden Arten von Neuronen, die im Nervensystem von Säugetieren vorkommen, auseinanderzuhalten. „Wir wollen die Funktion der verschiedenen Baumarten verstehen, die diesen komplexen Wald ausmachen“, sagt er.
„Im Nervensystem von Säugetieren liegen Milliarden von Neuronen nebeneinander und jedes davon hat tausende miteinander verflochtene Prozesse. Aus der Ferne sieht das wie ein unmögliches Gewirr aus, aber wenn man genauer hinschaut, erkennt man, dass dieser Dschungel tatsächlich aus besteht.“ verschiedene Neuronentypen“, erklärt Callaway. „Jeder Neuronentyp spielt eine bestimmte Rolle und ist auf einzigartige Weise mit anderen Neuronen verbunden. Wir müssen also verstehen, wie diese spezifischen Schaltkreise funktionieren und wie sie das Verhalten steuern. Das können wir jetzt erreichen, indem wir bestimmte Neuronentypen ausschalten.“ , alles auf einmal, ohne andere Neuronen in der Nähe zu beeinträchtigen.
Die Studie beschreibt, wie das achtköpfige Salk-Team die Methode entwickelte und an Mäusen, Ratten, Frettchen und Affen testete, wobei der Schwerpunkt auf Neuronen in der Hirnrinde und im Thalamus lag.
Die Technik umfasst zwei Schritte. Die erste besteht darin, ein Gen mithilfe eines viralen Vektors zu übertragen. Das Gen wird von allen Nervenzellen aufgenommen, ist aber nur in der Klasse neuronaler Zellen aktiv, auf die es gezielt abzielt. Es kodiert für die Produktion des Drosophila Allatostatin-Rezeptor (AlstR). Allatostatin ist nach seiner Rolle bei der Regulierung der Metamorphose bei einigen Insekten benannt; Corpora allata, spezialisiertes Gewebe im Kopf von Insekten, schüttet Hormone aus, die den Prozess regulieren.
Dieser Insektenrezeptor hat im Gehirn eines Säugetiers keine angeborene Funktion und „allein kann er nichts tun“, sagt Callaway.
Der zweite Schritt besteht in der Abgabe von Allatostatin (AL), dem Hormonliganden, der sich an den Allatostatinrezeptor bindet und ihn aktiviert. „Durch die Aktivierung des Rezeptors wird die Aktivität der Neuronen vollständig lahmgelegt, und da es sich um ein Insektenpeptid handelt, treten bei den Tieren keine Nebenwirkungen auf“, sagt Callaway. Es dauert nur eine Minute, die Neuronen zum Schweigen zu bringen, und sie können stundenlang inaktiviert bleiben, bis die Forscher beschließen, den Prozess umzukehren.
Dazu spülen sie einfach das AL-Peptid ab. „Sobald das Peptid weggespült ist, stellen die Nervenzellen ihre Funktion wieder her und man kann den Vorgang bedenkenlos immer wieder wiederholen“, sagt er.
„Die Forscher haben gezeigt, dass die Methode Gehirnneuronen im Allgemeinen reversibel zum Schweigen bringt, und zukünftige Studien werden sie nutzen, um bestimmte Arten von Neuronen ein- und auszuschalten“, sagt Callaway. In dieser Studie bewiesen sie auch, dass die Technik die neuronale Aktivität im Rückenmark transgener Tiere zum Schweigen bringen kann, deren Nervenzellen so verändert wurden, dass sie AlstR auf natürliche Weise exprimieren, einschließlich einzelner Neuronen.
„Wir sind von dieser Technik sehr begeistert“, sagt Callaway. „Wir glauben, dass es weitreichende Auswirkungen auf unsere Bemühungen haben wird, die Funktionsweise von Gehirn und Rückenmark zu verstehen.“
Zu den Forschern, die zu dieser Studie beigetragen haben, gehören die Co-Erstautoren Elaine M. Tan Ph.D. und Yoshiaki Yamaguchi, Ph.D. vom Systems Neurobiology Laboratory, Gregory Horwitz, Ph.D. und Thomas Albright Ph.D. im Vision Center, Simon Gosgnach, Ph.D., und Martyn Goulding, Ph.D., in den Molecular Neurobiology Laboratories, und Edward S. Lein, Ph.D., ein ehemaliger Forscher im Vision Center und jetzt am Allen Institute for Brain Science in Seattle.
Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.
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