Amerikanische Wissenschaftler haben eine Laser-“Fernbedienung” für Fliegen entwickelt: Sie bauten den Insekten ein Gen in ein Gebiet des Zentralen Nervensystems (ZNS) ein, das Fluchtbewegungen wie das Springen und der Start zu einem Flug kontrolliert. Mit Laserlicht konnten sie die genmanipulierten Fliegen dann dazu bringen, auf Befehl ihre Beine auszustrecken, in die Luft zu springen und mit ihren Flügeln zu schlagen. Dieses Fernsteuerungsmodell liefert eine neue Möglichkeit, den Zusammenhang zwischen Nervenzellaktivität und Nervenzellverbindungen genauer zu untersuchen.
Die Forscher gingen von der Idee aus, dass Nervenzellen mit molekularen “Empfängern” ausgestattet werden können, die ein von außen kommendes Signal wie Laserlicht erkennen. Die Nervenzellen wandeln dann dieses Signal in einen elektrischen Impuls um. Die Wissenschaftler Susanna Lima und Gero Miesenböck entwarfen dazu ein molekulares Schlüssel-Schloss-Prinzip. Als “Schloss” dient der Empfänger, welcher in den gewünschten Nervenzellen installiert wird. Im vorliegenden Fall war das ein Ionenkanal, durch den geladene Moleküle die Zellmembran passieren können. Der “Schlüssel” ist das Molekül ATP, das an den Empfänger bindet und ihn aktiviert. Damit das ATP nicht ständig an den Ionenkanal gebunden ist und die Nervenzelle nicht vorzeitig aktiviert wird, wird das ATP mit chemischen Stoffen gebunden. Diese werden bei Bestrahlung mit Laserlicht entfernt, wobei das ATP befreit wird und an den Ionenkanal binden kann.
Die Wissenschaftler benutzten für ihre Untersuchungen ein kleines Neuronensystem im ZNS, das die Flug- und Springmuskeln der Fliege anregt. Durch Genmanipulation induzierten sie die Bildung von Ionenkanälen. Das ATP führten sie mit kleinsten Spritzen durch das Auge der Fliege in das ZNS ein. Als sie die Fliegen mit 200 Millisekunden dauernden UV-Laserstrahlen bestrahlten, zeigten diese in sechzig bis achtzig Prozent der Fälle verschiedene Fluchtbewegungen: Sie streckten ihre Beine aus, sprangen in die Luft und schlugen mit ihren Flügeln. Miesenböck und Lima richteten auch eine andere Nervengruppe des ZNS, die auf den Botenstoff Dopamin reagiert, mit solchen “Fernsteuerungen” aus. So konnten sie die Bewegungsaktivität der Fliegen erhöhen. Die induzierten Verhaltensmuster können laut Miesenböck auch länger andauern. Wenn der aktivierte Nervenkreislauf Rückkopplungs-Schlaufen hat, die den Schaltkreis aufrecht erhalten, zeigen die Fliegen das Verhalten mehrere Minuten lang.
Es bestehen jedoch noch einige Einschränkungen bei der Anwendung dieser neuen Methode. Zum einen zeigen die Ionenkanäle auch ohne ATP eine gewisse Aktivität. Und werden Ionenkanäle in Neuronen induziert, die auf Acetylcholin reagieren, reduziert sich die Lebenserwartung der Fliege um das 20fache. Zusätzlich ist die Injektion des ATP in die Tiere zeitaufwändig. Die Versuche müssen sich deshalb in der Anfangsphase auf eine geringe Anzahl Tiere beschränken.
Die ferngesteuerte Kontrolle von bestimmten Nerven ist ein wichtiger Schritt für die Untersuchung von Nervenreaktionen. Die Nerven können nicht mehr nur passiv beobachtet werden, sondern es wird auch möglich, ihre Reaktion gezielt zu manipulieren. So könnten vielleicht künftig sogar durch eine Krankheit oder Verletzung verloren gegangene Nervensignale wieder hergestellt werden.
Susanna Lima, Gero Miesenböck ( Yale-Universität, New Haven): Cell, Bd. 121, Nr. 1, 8. April, S. 141.
ddp/wissenschaft.de ? Katharina Schöbi
