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Optogenetische Technologie für langfristige Veränderungen der neuronalen Erregbarkeit

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Wissenschaftler am MIT haben eine optogenetische Technik entwickelt, die durch Veränderung der neuronalen Membrankapazität zu langfristigen Veränderungen der neuronalen Erregbarkeit führen kann.

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Im Gegensatz zur konventionellen Optogenetik, bei der Licht eingesetzt wird, um Ionenkanäle in manipulierten Neuronen schnell zu aktivieren, beruht die neue Technik auf einer lichtempfindlichen Reaktion, um das Vorhandensein von leitenden oder isolierenden Polymeren in der Zellmembran zu erhöhen. Die Methode bewirkt langfristige Veränderungen der neuronalen Erregbarkeit und erfordert keine kontinuierliche Beleuchtung, um diese Veränderungen aufrechtzuerhalten. Die Methode ist in erster Linie als Forschungsinstrument gedacht, das unser Verständnis des Gehirns und neurologischer Erkrankungen verbessern kann, aber sie könnte in Zukunft auch therapeutische Anwendungen finden.

Die Optogenetik wurde erstmals vor etwa 20 Jahren entwickelt. Bei dieser Forschungstechnik werden Neuronen gentechnisch so verändert, dass sie lichtempfindliche Ionenkanäle exprimieren, und dann beleuchtet, um eine sofortige und schnelle neuronale Aktivierung auszulösen. Die herkömmliche Optogenetik ist zwar nützlich, kann aber noch verbessert werden.

"Durch den Einsatz von Licht kann man diese Ionenkanäle entweder öffnen oder schließen, was wiederum die Neuronen erregt oder zum Schweigen bringt", so Chanan Sessler, ein an der Studie beteiligter MIT-Forscher. "Das ermöglicht eine schnelle Reaktion in Echtzeit, aber es bedeutet, dass man diese Neuronen ständig beleuchten muss, wenn man sie kontrollieren will."

Was wäre, wenn man ein Neuron nur einmal beleuchten und eine langfristige Veränderung der Erregbarkeit bewirken könnte? Das ist das Ziel dieser neuen Technik. Die Forscher erreichten dies, indem sie die elektrische Kapazität der Neuronenmembran veränderten. Dazu werden die Neuronen so verändert, dass sie ein lichtempfindliches Protein exprimieren, das bei Lichteinfall reaktive Sauerstoffspezies produziert. Während dieser Beleuchtung setzen die Forscher die Neuronen auch Polymerbausteinen aus einem isolierenden oder leitfähigen Polymer aus. Die reaktiven Sauerstoffspezies tragen dazu bei, dass sich die Polymerbausteine in der Zellmembran zusammenfügen, wodurch sich ihre Kapazität verändert. Bislang haben die Forscher gezeigt, dass dieser Ansatz zu Veränderungen der neuronalen Erregbarkeit führt, und zwar über einen Zeitraum von bis zu drei Tagen, der längsten Zeit, die sie die Zellen in einer Schale am Leben erhalten können.

Der Ansatz hat sowohl Forschungs- als auch therapeutisches Potenzial. "Mit diesem neuen Instrument lässt sich die Erregbarkeit von Neuronen langfristig und mit Hilfe von Licht steuern, was es den Wissenschaftlern ermöglichen wird, die Kausalität zwischen der Erregbarkeit verschiedener Neuronentypen und dem Verhalten der Tiere direkt zu bestimmen", so Xiao Wang, ein weiterer an der Studie beteiligter Forscher. "Die künftige Anwendung unseres Ansatzes in Krankheitsmodellen wird zeigen, ob die Feinabstimmung der Neuronenerregbarkeit dazu beitragen kann, abnormale Hirnschaltkreise wieder zu normalisieren."