Ein Forscherteam um Vsevolod Belousov vom Institut für Bioorganische Chemie der Russischen Akademie der Wissenschaften hat eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, einzelne Neuronen im Gehirn eines Tieres mit Infrarotstrahlung anzuregen. Dazu wurden die Zellen gezwungen, spezielle wärmeempfindliche Proteine (Ionenkanäle von Schlangen) zu synthetisieren, die anschließend mit einem Infrarotlaser aktiviert wurden. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
In den letzten Jahren steht den Neurowissenschaftlern ein mächtiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem sie gezielt Neuronengruppen direkt im Gehirn eines lebenden Tieres mit Licht aktivieren können - die Optogenetik. Es stellte sich heraus, dass es mit optogenetischen Werkzeugen möglich war, sogar das Gedächtnis von Mäusen zu kontrollieren, Erinnerungen zu löschen und falsche einzuführen (Sie können hier darüber nachlesen). Bei aller revolutionären Natur hat diese Methode jedoch auch eine Reihe schwerwiegender Nachteile. Die wichtigste davon ist die Tatsache, dass sichtbares Licht der Aktivator der neuronalen Erregung ist. Es hat eine geringe Durchlässigkeit durch Gewebe, daher müssen Tiere Glasfaser in das Gehirn implantieren. Außerdem aktiviert Licht nicht nur die notwendigen Neuronen, sondern auch eigene Sehrezeptoren, was zu unerwünschten Folgen führen kann.
Die thermosensitiven Ionenkanäle der TRP-Familie sind zu einer Alternative zur Lichtsteuerung der neuronalen Aktivität geworden. Bei einer bestimmten Temperatur beginnen diese Proteine, Ionen durch die Zellmembran zu passieren, was zur Aktivierung des Neurons führt, in dem sie exprimiert werden. Es wurden bereits Versuche unternommen, die Erregung tierischer Neuronen durch die Aktivierung von TRP-Kanälen zu kontrollieren, aber eine geeignete Methode zur Kanalisierung des Kanals ist noch nicht erschienen.
Forscher des Instituts für Bioorganische Chemie, RAS, haben zusammen mit Kollegen des Instituts für höhere Nervenaktivität und der Physikabteilung der Moskauer Staatlichen Universität eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, einzelne Neuronen effizient mit einem im Infrarotbereich emittierenden Laser anzuregen (etwa 1400 Nanometer). Neben der Verwendung eines Lasers kamen die Wissenschaftler auch auf die Idee, nicht wie früher mit den tiereigenen TRP-Kanälen zu arbeiten, sondern mit dem TRPA1-Protein der Schlange, das eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Hitze und Wärmeleitung aufweist.
Schema des Experiments zur Aktivierung spezifischer Neuronen im Embryo Danio rerio. Modifizierte Neuronen, die zusätzlich zu TPRA1 ein rot fluoreszierendes Protein exprimieren, sind rot dargestellt.
Zunächst wurde die Technologie an einer Kultur von Säugetierzellen getestet, die zwei verschiedene TRPA1-Proteine von verschiedenen Schlangenarten exprimieren. Mit einem Temperatursensor mit Diamantsensor, der die Temperaturänderung in der Nähe einer einzelnen Zelle genau messen kann, ermittelten die Forscher die Aktivierungstemperatur für diese Proteine. Einer von ihnen, "wärmer", mit einer Aktivierungstemperatur von etwa 38 Grad, wurde in einer Kultur von Mausneuronen getestet, und der zweite, kältere, wurde in den Embryo eines Danio-Rerio-Fischs eingeführt. Indem sie den Laserstrahl auf die somatosensorischen Neuronen der Fische richteten, die für die Berührungsempfindlichkeit verantwortlich sind, lösten die Wissenschaftler beim Tier eine „Ausweichreaktion“in Form einer Muskelkontraktion aus (also der Fisch zuckte daraufhin mit dem Schwanz) zum Heizen). Um Neuronen zu aktivieren, musste ihre Temperatur nur um 1-3 Grad erhöht werden. Eine solche sanfte Erwärmung führt nicht zur Entwicklung einer toxischen Wirkung, die mit einer Überhitzung von Geweben verbunden ist.
Die Autoren der Arbeit schlagen vor, dass für die Arbeit mit Warmblütern wie Mäusen eine neue Version von TRPA1 mit einer Aktivierungstemperatur von etwa 40 Grad Celsius gefunden werden muss. Die entwickelte Technologie, die in Analogie zur Optogenetik Thermogenetik genannt wurde, ist jedoch zweifellos bereits von großem Wert für Neurobiologen, da sie eine bequeme und nicht-invasive Manipulation des Gehirns von kaltblütigen Modelltieren wie Fischen, Fruchtfliegen und Nematoden.
