Uni Bonn: „Lichterkette“ zeigt Erregungsweiterleitung in Neuronen an

Eine Art neuartiger molekularer Spannungssensor ermöglicht es, Nervenzellen bei der Arbeit zuzusehen. Das Prinzip der Methode ist schon länger bekannt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Bonn und der University of California in Los Angeles ist es nun aber gelungen, sie deutlich zu verbessern.

Bild einer lebendigen im Labor gezüchteten Nervenzelle: Die Membran, die sie umgibt, leuchtet hell, da an ihrer Außenseite das fluoreszierende Protein sitzt.

Bild einer lebendigen im Labor gezüchteten Nervenzelle: Die Membran, die sie umgibt, leuchtet hell, da an ihrer Außenseite das fluoreszierende Protein sitzt.

Milan Pabst

Wenn ein Signal eine bestimmte Stelle des Axons passiert, ändert sich dieses Potenzial dort kurzzeitig. „Und diese Änderung können wir sichtbar machen“, erklärt Prof. Dr. Istvan Mody vom Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung (IEECR) des Universitätsklinikums Bonn. Dazu hängen die Forscher den Nervenzellen gewissermaßen eine Lichterkette um. Das Besondere daran: Jedes Lämpchen dieser Kette trägt einen spannungsabhängigen Dimmer. Dadurch wird es dunkler, wenn sich das Membranpotenzial am Ort des Lämpchens ändert.

Die Erregungs-Weiterleitung wird auf diese Weise also als eine Art „Dunkelheits-Tropfen“ sichtbar, der am Axon entlangläuft. Als Lichterkette dienen den Forschern dabei fluoreszierende Proteine. „Das Gen dafür haben wir in die Zellen eingeschleust“, erklärt Mody. Die Wissenschaftler haben die Erbanlage zudem mit einer Art Versandetikett versehen. „Dieses Label sorgt dafür, dass die Fluoreszenz-Farbstoffe direkt nach ihrer Herstellung an die Außenseite der Membran transportiert werden. Eine Art Anker stellt dann sicher, dass sie dort bleiben.“

Der Dimmer ist nicht Teil des Nano-Lämpchens, sondern ein weiteres Molekül: ein sogenannter „Dark Quencher“. Normalerweise befindet er sich auf der Innenseite der Membran. Durch die Spannungsänderung bei der Signalweiterleitung wechselt er jedoch nach außen. Dort trifft er auf die Fluoreszenz-Proteine und schirmt sie ab. Das Nano-Lämpchen wird dadurch dunkler. Sobald sich das Potenzial normalisiert, wandert der Dark Quencher zurück auf die Innenseite, und die Leuchtkraft erhöht sich wieder.

„Im Grunde ist diese Methode nicht neu“, sagt Mody. „Wir haben sie aber an zwei Stellen grundlegend verbessert.“ Bislang wurden die Fluoreszenz-Proteine nämlich direkt in die Membran integriert, was die Funktion der Neurone erheblich stört. Die neuen Nano-Lämpchen dagegen sitzen außerhalb der Membran. Sie bleichen zudem nicht so schnell aus, sondern behalten 40 Minuten ihr Leuchtvermögen - viermal so lang wie herkömmliche Fluoreszenz-Farbstoffe.

Die zweite Änderung betrifft den Dark Quencher: Die Verbindung, die normalerweise dafür eingesetzt wird, ist giftig und zudem hochexplosiv. Sie wurde sogar im zweiten Weltkrieg als Sprengstoff genutzt. „Unser Quencher ist dagegen völlig ungefährlich“, betont Mody. „Er reagiert außerdem noch schneller und empfindlicher auf kleinste Potenzial-Änderungen. Dadurch lassen sich mit unserer Methode bis zu 100 elektrische Pulse pro Sekunde sichtbar machen.“

Die Methode erlaubt es, die Funktion von Nervenzellen zu beobachten, ohne sie dabei zu stören. Damit wird es zum Beispiel möglich, bei bestimmten neuronalen Erkrankungen einen genaueren Einblick in die damit verbundenen Fehlfunktionen zu bekommen. Letztlich ist sie ein neues vielversprechendes Werkzeug, um die Arbeitsweise des Gehirns besser zu verstehen.

Die Studie wurde durch den European Research Council Advanced Grant 339620 gefördert.


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