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Hirnaktivität: Nano-Lämpchen markieren die Signalwege

Mit einem molekularen Spannungssensor können Forscher dem Gehirn bei der Arbeit zugucken: Läuft ein Signal durch das Axon einer Nervenzelle, verdunkelt ein Molekül kurzzeitig die Lämpchen am Wegesrand.
Eine Nervenzelle, an deren Membran fluoreszierende Proteine sitzenLaden...

Nervenzellen leiten Signale über ein Axon, den Ausgabekanal für Informationen, an benachbarte Nervenzellen weiter. Bislang habe man allerdings nur ein grobes Bild davon, auf welchen Wegen die Hirnaktivität verläuft, schreiben Wissenschaftler der Universität Bonn und der University of California in Los Angeles. In »PNAS« schildern sie nun eine neue Methode, mit der sie die Signalwege in der Großhirnrinde von Mäusen im Detail sichtbar machen, ohne die Neurone in ihrer Aktivität zu stören.

Jede Nervenzelle hat eine dünne Hülle, die Membran. Im Ruhezustand, also wenn die Zelle gerade keine Signale verarbeitet, liegen außen an der Hülle viele positiv geladene Ionen – mehr als an der Innenseite, weshalb an der Membran elektrische Spannung entsteht, das Ruhepotenzial. Aktiviert ein eingehendes Signal die Zelle, verändert sich die Spannung; das Ruhepotenzial wird vorübergehend zu einem Aktionspotenzial.

Molekularer Sensor für Hirnaktivität

»Und diese Änderung können wir sichtbar machen«, erläutert Istvan Mody vom Institut für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung des Universitätsklinikums Bonn in einer Pressemitteilung. Dazu statteten er und sein Team die Außenseite der Membran gentechnisch mit fluoreszierenden Proteinen aus, die im Ruhezustand leuchten (siehe Bild oben). Wenn ein Aktionspotenzial an der Membran ankommt, wandert ein als Spannungssensor dienendes Molekül (»dark quencher« genannt) von der Innen- an die Außenwand und verdeckt dort vorübergehend die Nano-Lämpchen. So scheint es, als würde der Reiz, der das Axon durchläuft, die Laternen am Wegesrand kurzzeitig ausschalten oder dimmen.

Die Technik sei nicht neu, sagen die Autoren, sie funktioniere aber besser als zuvor, weil die Proteine nun außen auf der Membran sitzen und damit die Funktion der Neurone nicht mehr erheblich störten. Außerdem leuchteten sie 40 Minuten, viermal so lang wie mit der herkömmlichen Methode. Und noch dazu reagiere das Dark-Quencher-Molekül schneller und empfindlicher auf kleinste Potenzialänderungen, wie Mody sagt. »Dadurch lassen sich mit unserer Methode bis zu 100 elektrische Pulse pro Sekunde sichtbar machen.«

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