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13.07.10 Genetisch kodierter Fluoreszenzfarbstoff macht Aktivität im Fliegenhirn über Tage hinweg messbar

Hochleistungscomputer im Fliegenhirn

Die winzigen Gehirne dieser Flugakrobaten verarbeiten visuelle Bewegungen in Sekundenbruchteilen

Wie die Nervenzellen im Fliegenhirn dazu verschaltet sind, bleibt auch nach über 50 Jahren Forschung ein Rätsel. Jetzt haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie erstmals die technischen Voraussetzungen geschaffen, um die grundlegenden Mechanismen im Fliegengehirn zu entschlüsseln. Erste Untersuchungen zeigen: es gibt noch viel zu entdecken.

Abb. 1: Blick ins Fliegenhirn: Mit modernsten Mikroskopie-Methoden beobachten Neurobiologen die Aktivität von Nervenzellen, während die Fliege bewegte Muster sieht und verarbeitet (links). Mit dieser Technik können erstmals einzelne Zellen in dem Gehirnbereich beobachtet werden, der bei Fliegen für das Bewegungssehen zuständig ist (rechts, Maßstab: 20 Mikrometer).
Quelle: Dierk F. Reiff, MPI für Neurobiologie

Bereits 1956 wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das sehr genau beschreibt, wie Bewegungen im Gehirn von Fliegen erkannt und verarbeitet werden. Zahllose Versuche haben über die Jahre alle Annahmen dieses Modells bestätigt. Dennoch ist nach wie vor unbekannt, welche Nervenzellen in welcher Weise im Fliegenhirn miteinander verbunden sind, sodass sie wie im Modell arbeiten. "Uns fehlten einfach die technischen Möglichkeiten, um einzelne Zellen und ihre Verbindungen in diesem Fliegen-Hochleistungscomputer zu untersuchen", sagt Dierk Reiff vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried. Das überrascht nicht, bedenkt man wie winzig der für das Bewegungssehen zuständige Bereich des Fliegenhirns ist: In einem Sechstel Kubikmillimeter Gehirn befinden sich über 100.000 Nervenzellen – und jede Zelle ist mehrfach mit ihren Nachbarzellen verbunden. Hier die Reaktion einer einzelnen Nervenzelle auf einen bestimmten Bewegungsreiz herauszufiltern, scheint nahezu unmöglich. Doch genau das haben die Martinsrieder Neurobiologen nun geschafft.

Das Fliegenhirn – besser als jeder Computer

Im Prinzip kann die elektrische Aktivität einzelner Nervenzellen mit feinsten Elektroden gemessen werden. Für diese Methode sind jedoch fast alle zu untersuchenden Nervenzellen im Gehirn der Fliege viel zu klein. Doch gerade dem Fliegenhirn wollten die Forscher seine Geheimnisse entlocken. Zum einen ist hier das Modell des Bewegungssehens am besten erforscht. Zum anderen sind die vergleichsweise wenigen Nervenzellen der Fliege hochspezialisiert und verarbeiten die Bilderflut während des rasanten Fluges mit unglaublicher Präzision. So können Fliegen eine Vielzahl von Informationen über Eigen- und Umweltbewegung in Echtzeit verarbeiten – etwas, dass so kein heute existierender Computer leisten könnte, erst recht nicht, wenn er so winzig wie im Fliegenhirn wäre. Ein klarer Anreiz also, das System zu entschlüsseln.

Fluoreszenz-Moleküle und modernste Mikroskope

"Wir mussten einen Weg finden, die Aktivität dieser Nervenzellwinzlinge ohne die Hilfe von Elektroden zu beobachten", beschreibt Dierk Reiff eine der Herausforderungen. Diese Hürde nahmen die Forscher nun durch den Einsatz modernster genetischer Methoden bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Es gelang, einzelne Nervenzellen der Fruchtfliege mit einem Indikator-Molekül auszustatten. TN-XXL macht durch Änderung seiner Fluoreszenzeigenschaften die Aktivität von Nervenzellen sichtbar.

In den letzten Jahren gab es jedoch wichtige Verbesserungen in den Untersuchungsmethoden. So wurden Fluoreszenz-Farbstoffe entwickelt, die die Aktivität einzelner Nervenzellen sichtbar machen. Die Grundlage dieser Farbstoffe sind synthetische Kalzium-Indikatoren, die auf die Bindung von Kalzium mit einer Veränderung ihrer Helligkeit reagieren. Kalzium kommt in jeder Nervenzelle vor und die Kalzium-Konzentration ändert sich, wenn eine Nervenzelle zum Beispiel ein elektrisches Signal weitergibt. Künstlich in eine Zelle eingebrachte Kalzium-Indikatoren können somit elektrische Signale der Zellen optisch sichtbar machen. Zusätzlich hebt der fluoreszierende Farbstoff die damit gefüllte Zelle aus der Masse der Nervenzellen hervor und macht sie mit all ihren Verästelungen sichtbar. Mit Hilfe der modernen 2-Photonen-Mikroskopie können so die Aktivität und auch die Anatomie der markierten Zellen direkt im Gehirn studiert werden. Jedoch verblassen die künstlichen Farbstoffe meist nach kurzer Zeit wieder, was Langzeitbeobachtungen verhindert.

Eine Alternative zu den synthetisch hergestellten Farbstoffen sind genetisch kodierte Kalzium-Indikatoren. Diese Moleküle sind Proteine, die von einzelnen genetisch veränderten Nervenzellen selbst produziert werden. Ist die Nervenzelle aktiv, fluoreszieren die Indikator-Moleküle anstatt zuvor bläulich eher gelb. Störende Eingriffe von außen sind also nicht mehr nötig, um die Aktivität der Zellen sichtbar zu machen. Doch auch hier gibt es ein Problem: Im Vergleich zu den künstlichen Farbstoffen leuchteten diese genetisch-kodierten Indikator-Moleküle nur schwach und reagierten auch nur auf größere Änderungen in der Kalzium-Konzentration. So blieb eine schonende aber auch aussagekräftige Langzeitbeobachtung der Aktivität einzelner Nervenzellen weiterhin ein Wunschtraum.

TN-XXL: Die Antwort auf Forscherträume?

Dem Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie ist es kürzlich aber gelungen, einen deutlich verbesserten Kalzium-Indikator zu entwickeln. TN-XXL, so der Name des Moleküls, ist viel empfindlicher als alle seine Vorgänger und reagiert schon auf kleinste Änderungen in der Aktivität von Nervenzellen. Da TN-XXL ständig von den Nervenzellen nachgebildet wird, ist die Leuchtkraft kontinuierlich hoch. So kann die Aktivität einzelner Nervenzellen über viele Wochen hinweg im intakten Gehirn beobachtet werden.

Die nun erstmals mögliche Langzeitbeobachtung der Aktivität einzelner Nervenzellen ist eine wichtige Voraussetzung um zu verstehen, wie das Gehirn arbeitet und sich mit der Zeit verändert – sei es während seiner Entwicklung, des Alterns, oder um neue Informationen zu verarbeiten. Auch in der klinischen Forschung sehen die Forscher vom MPI für Neurobiologie Anwendungsmöglichkeiten für das neue Molekül: "TN-XXL kann zum Beispiel eingesetzt werden, um den Verlauf von Krankheiten oder die Effekte von Medikamenten im Körper zu verfolgen." Es sollte daher nicht lange dauern, bis TN-XXL neue Einblicke in die Arbeitsweise unseres Gehirns und auch unseres Körpers bringt.

Um zu untersuchen, wie Fruchtfliegenhirne Bewegungen verarbeiten, zeigten die Neurobiologen den Fliegen sich bewegende Streifenmuster auf einem Leuchtdioden-Bildschirm. Die Nervenzellen im Gehirn der Fliegen reagierten auf diese LED-Lichtreize mit Aktivität, was wiederum zu Änderungen im Leuchtverhalten des Indikator Moleküls führte. Obwohl TN-XXL deutlich heller ist als bisherige Indikator-Moleküle, war es lange Zeit unmöglich, die immer noch sehr geringe Lichtmenge einzufangen und vom LED-Lichtreiz zu trennen. Nach einigem Tüfteln fand Dierk Reiff jedoch die Lösung, indem er das Zwei-Photonen-Laser-Mikroskop mit dem LED-Bildschirm im Genauigkeitsbereich von Mikrosekunden synchronisierte. So konnte das TN-XXL Signal vom LED-Licht getrennt und vom Zwei-Photonen-Mikroskop selektiv gemessen werden.

Abb. 2: Kalzium-Indikatoren machen durch Fluoreszenz-Änderung die sonst verborgene Aktivität von Nervenzellen sichtbar. Nun ist es erstmals möglich, die Aktivität einzelner Zellen über viele Wochen zu beobachten.
Quelle: Marco Mank, MPI für Neurobiologie

Die Zellen hinter dem Modell

"Nach über 50 Jahren haben wir nun endlich die technischen Möglichkeiten geschaffen, um den zellulären Aufbau des Bewegungsdetektors im Fliegenhirn zu untersuchen", schwärmt Alexander Borst, der mit seiner Abteilung am Max-Planck-Institut für Neurobiologie dieses Ziel schon seit Jahren verfolgt. Wie viel noch zu entdecken ist, zeigte gleich der erste Einsatz der neuen Methoden. Die Wissenschaftler beobachteten die Aktivität von L2-Zellen, die Informationen von den Fotorezeptoren des Auges erhalten. Die Fotorezeptoren reagieren, wenn die Lichtintensität zu- oder abnimmt. Ganz ähnlich sieht die Reaktion der L2-Zelle in dem Zellteil aus, der diese Informationen vom Fotorezeptor aufgreift. Die Neurobiologen fanden heraus, dass die L2-Zelle diese Information umwandelt und vor allem Information über Helligkeitsabnahmen an nachfolgende Nervenzellen weitergibt. Diese wiederum errechnen daraus die Bewegungsinformation. "Das bedeutet, dass die Information "Licht-an" von den L2-Zellen herausgefiltert wird", fasst Dierk Reiff die Entdeckung zusammen. "Es bedeutet aber auch, dass ein anderer Zelltyp "Licht-an" weitergeben muss – die Fliege reagiert ja auf beides."

Nachdem nun der erste Schritt getan ist, wollen die Wissenschaftler mit den neuen Methoden den Bewegungsdetektor im Fliegenhirn Zelle für Zelle untersuchen und so die Arbeitsweise der beteiligten Nervenzellen aufklären. Auch die Kollegen aus dem gemeinsamen Robotics-Projekt freuen sich schon auf die Ergebnisse.

Quelle:

Visualizing retinotopic half-wave rectified input to the motion detection circuitry of Drosophila
D. F. Reiff, et. al., Nature Neuroscience 2010. DOI: 10.1038/nn.2595

Bitte zitieren Sie die Seite wie folgt:

Genetisch kodierter Fluoreszenzfarbstoff macht Aktivität im Fliegenhirn über Tage hinweg messbar
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/jul/fliegen.shtm)

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