Erleuchtetes Gehirn

Wissenschaftlern am Heidelberger Max-Planck-Institut für medizinische Forschung gelingt direkte Beobachtung und Regulierung neuronaler Verschaltungen zwischen Gehirnzellen

Eine Wissenschaftlergruppe um Rolf Sprengel und Volker Mack am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg ist es gelungen, die synaptische Plastizität von Gehirnzellen im Hippocampus von Mäusen sichtbar zu machen und durch die Gabe von Antibiotika zu regulieren (Science, 29. Juni 2001). Dieser experimentelle Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten, um die Kluft zwischen der Kenntnis molekularer Vorgänge in einzelnen Nervenzellen und dem Verständnis von Lern- und Gedächtnisleistungen des ganzen Gehirns zu überbrücken.

Die moderne Neurobiologie fragt heute nach den molekularen und zellulären Mechanismen, die unserem Gehirn seine so genannte Plastizität (griech.: plastokos = zum Formen geeignet) geben und es so anpassungsfähig machen. Diese Mechanismen bestimmen – entwicklungsabhängig – die Verknüpfung der Nervenzellen zu spezialisierten neuronalen Netzen, wie dem sensorischen oder dem visuellen System. Sie sind die Grundlage von Lern- und Gedächtnisvorgängen im Gehirn. Sie ermöglichen es, motorische, sensorische oder kognitive Störungen, wie sie zum Beispiel nach einem Schlaganfall eintreten, zu korrigieren.

Diese plastischen Veränderungen finden vorrangig an Synapsen statt, den Schaltstellen für die Kommunikation zwischen Nervenzellen. Eine Nervenzelle kann bis zu 50.000 derartige Strukturen ausbilden. Jede Synapse hat eine präsynaptische Komponente, vergleichbar einem Sender, und eine postsynaptische Struktur, ein Empfangsstation. Informationen werden von einer Nervenzelle zur anderen über die Ausschüttung von chemischen Botenstoffen (Neurotransmittern) weitergegeben. Diese Signalübertragung ist in vielen Nervenverknüpfungen (Synapsen) nicht statisch, sondern kann – abhängig von ihrem Gebrauch – optimiert werden, was man dann als ‚synaptische Plastizität’ bezeichnet. So kann die chemische Neurotransmission entweder dadurch verbessert werden, dass die sendende Nervenzelle eine größere Menge Botenstoff ausschüttet, oder durch eine größere Zahl von Empfängerstrukturen (Rezeptorkanäle) auf der nachgeschalteten Nervenzelle. Bei den molekularen Mechanismen, die der Erinnerung und dem Lernen zugrunde liegen, spielen durch Glutamat gesteuerte Ionenkanäle eine zentrale Rolle.

Den Wissenschaftlern aus dem Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg ist es nun gelungen, in Mäusen einen wichtigen Glutamat-gesteuerten Ionenkanal gegen seine grünfluoreszierende Variante auszutauschen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass der Ionenkanal auch mit dem eingebauten grünfluoreszierenden Protein (GFP) im zentralen Nervensystem der Mäuse einwandfrei arbeitete. Darüber hinaus fanden die Heidelberger Wissenschaftler einen einfachen Weg, um die Funktion dieses Ionenkanals zu regulieren – über die Zugabe des Antibiotikums Doxyzyclin im Trinkwasser (s. Abbildung, S. 3).

Damit haben die Heidelberger Wissenschaftler zwei wichtige Ergebnisse erreicht: Durch den Einbau des grünfluoreszierenden Proteins in den Ionenkanal können jetzt Lokalisierung, Funktion und die Interaktionen dieser Kanäle direkt beobachtet werden. Mit der Zugabe des Antibiotikums zum Trinkwasser haben sie zudem einen Weg gefunden, um eine der wichtigsten Eigenschaften neuronaler Verschaltungen im Hippocampus, die aktivitätsabhängige Optimierung der Reizweitergabe, regulieren zu können.

Mit vergleichenden Untersuchungen von Mäusen, die mit oder ohne das Antibiotikum Doxyzyclin aufgewachsen sind, wollen die Wissenschaftler in der nächsten Zeit herausfinden, bei welchen Lernvorgängen diese Form der synaptischen Plastizität in den verschiedenen Bereichen des Hippocampus eine Rolle spielt (vgl. dazu auch die Presse-Information PRI B3/99 (24) „Diskussion über Lernvorgänge im Gehirn wieder offen“).

In Nervenzellen des Vorderhirns einer Maus wird die Bildung des fluoreszierenden Glutamat-Rezeptorproteins (GFP-GluR-A) durch einen Transkriptionsfaktor (tTA) ausgelöst (A). Das Rezeptorprotein lagert sich mit anderen Untereinheiten zusammen (B) und bildet einen Glutamatrezeptorkanal (AMPA-Typ) in der Membran der Nervenzellen (C). Der durch das grünfluoreszierende Protein markierte Rezeptorkanal (D) befindet sich in den Synapsen neben anderen Glutamatrezeptoren (NMDA-Typ).

Der Hippocampus der Mäuse erscheint nach Bestrahlung mit blauem Licht grün (E). Dank der fluoreszierenden Grünfärbung sind im Schnittpräparat Zellkörper und Zellfortsätze (Dendritenbäume) gut zu erkennen (F). Bei hoher Auflösung (G) sind sogar die Spitzen der Dornfortsätze (Synapsen) und der Schaft eines Dendriten (H) zu sehen.

Abbildung: Max-Planck-Institut für medizinische Forschung / Sprengel