Sie fanden ein Algenprotein, mit dem Forschende ausgewählte Gehirnzellen per Licht ein- und ausschalten können.

Karl Deisseroth

Peter Hegemann

Georg Nagel

Kurzfassung

Eine Grünalge besitzt ein Protein, das ein winziges Tor öffnet, sobald blaues Licht darauf fällt.
Bringt man das Gen dieses Proteins in Nervenzellen, lässt ein Lichtblitz diese Zellen feuern.
So lässt sich nun an lebenden Tieren prüfen, welche Gehirnzellen eine Erinnerung, ein Gefühl oder ein Verhalten auslösen.

Das Problem davor

Im 20. Jahrhundert fanden Forschende heraus, welche Hirnregionen welche Aufgaben übernehmen. Ihre Werkzeuge waren grob. Man konnte Aktivität beobachten und Zusammenhänge erkennen, aber nicht beweisen, dass ein bestimmter Nervenzelltyp ein Gefühl oder ein Verhalten verursacht.

Nervenzellen mit unterschiedlichen Aufgaben liegen eng durchmischt beieinander, und die alten Methoden konnten keinen einzelnen Typ herausgreifen. Francis Crick hatte vorgeschlagen, dass Licht der ideale Weg wäre, einzelne Zelltypen zu steuern. Frühere Versuche brauchten mehrere Gene oder zusätzliche Chemikalien. Deshalb waren sie im lebenden Gehirn schwer einzusetzen.

So funktioniert es

Nehmen wir eine Maus und eine Frage: Weckt eine bestimmte Zellgruppe in ihrem Gehirn sie aus dem Schlaf? Forschende bringen das Gen für Kanalrhodopsin-2 nur in diesen Zelltyp. Als Kurier dient ein verändertes Virus. So bauen nur diese Zellen das Lichttor.

Dann schieben sie eine dünne Glasfaser durch ein kleines Loch im Schädel. Fällt blaues Licht durch die Faser, öffnen sich die Tore innerhalb eines Bruchteils einer Millisekunde, geladene Teilchen strömen ein, und nur die ausgewählten Zellen feuern.

In der Studie von 2007 wachten schlafende Mäuse eher auf, wenn diese Zellen beleuchtet wurden. Das zeigte, dass die Zellen das Aufwachen auslösen können und nicht nur gleichzeitig aktiv sind. Andere Proteine, die auf andere Farben reagieren, können Zellen stummschalten. So lässt sich derselbe Schaltkreis ein- und ausschalten.

Lichtempfindliche Türklingeln an ausgewählten Häusern

Man stelle sich eine Stadt vor, in der aus dem Flugzeug jedes Haus gleich aussieht. Man baut eine Türklingel ein, die nur läutet, wenn eine blaue Taschenlampe darauf leuchtet, und zwar nur an Häusern einer Art, etwa an Bäckereien. Nun kann man darüberfliegen, das Licht einschalten und sehen, was die Stadt tut, wenn nur die Bäckereien aufwachen. Der Vergleich hinkt an zwei Stellen: Die 'Klingel' ist ein Tor, das geladene Teilchen in die Zelle strömen lässt, und Forschende bauen sie ein, indem sie ein Gen einschleusen. Die Zelle baut das Tor also selbst.

Warum es den Preis bekam

Es machte aus der Hirnforschung statt „diese Zellen sind gemeinsam aktiv“ ein „diese Zellen verursachen das“, mit einer Steuerung auf die Millisekunde genau.
Labore weltweit haben damit bei Tieren Schaltkreise für Schmerz, Durst, Essen, Belohnung, Aufmerksamkeit, Sozialverhalten und Brutpflege gefunden.
2012 reichte es bei Mäusen, die während einer Angsterinnerung markierten Zellen zu beleuchten, um diese Erinnerung zurückzuholen.
Eine Studie von 2021 berichtete, dass ein blinder Patient mit Retinitis pigmentosa mit einem kanalrhodopsinähnlichen Protein und einer lichtaussendenden Brille teilweise wieder sehen konnte.
Es hat neue Einblicke in Depression, Angststörungen, Schizophrenie, Alzheimer und Parkinson gegeben, ebenso in die Verbindungen zwischen Herz, Darm und Gehirn.

Häufige Missverständnisse

IrrtumÄrztinnen und Ärzte behandeln mit Optogenetik bereits Hirnerkrankungen bei Patienten.

TatsächlichSie ist vor allem ein Forschungswerkzeug an Tieren. Die ersten Anwendungen beim Menschen sind klinische Studien zu einer erblichen Form von Blindheit.

IrrtumWer Licht auf den Kopf richtet, kann das Gehirn steuern.

TatsächlichEs passiert nichts, solange die Zellen nicht das Gen für das Lichttor tragen, und das Licht kommt meist über eine implantierte Faser.

IrrtumForschende haben das lichtempfindliche Protein von Grund auf entworfen.

TatsächlichDie Evolution hat es hervorgebracht. Eine schwimmende Grünalge steuert damit auf Licht zu. Forschende haben es gefunden und später neue Varianten angepasst.

IrrtumDas war ein glücklicher Zufall.

TatsächlichEs brauchte mehr als ein Jahrzehnt neugiergetriebener Grundlagenforschung darüber, wie eine Alge sieht, lange bevor jemand ahnte, dass es der Neurowissenschaft helfen würde.

Selbst erklären

10 Sekunden

Sie haben aus Algen ein lichtgesteuertes Protein entliehen, damit Forschende ausgewählte Gehirnzellen mit einem Lichtblitz ein- und ausschalten können.

Für Kinder

In Teichen lebt ein winziges grünes Wesen, das Licht spüren und darauf zuschwimmen kann. Forschende haben sich das Teil geliehen, mit dem es Licht spürt, und es in Gehirnzellen von Mäusen eingebaut. Wenn sie jetzt ein blaues Licht anmachen, schalten sich diese Gehirnzellen ein, wie bei einem Knopfdruck.

30 Sekunden

Eine Teichalge besitzt ein Protein, das sich wie ein Tor öffnet, wenn blaues Licht darauf fällt. Zwei deutsche Forscher fanden es Anfang der 2000er-Jahre. Ein amerikanischer Psychiater brachte sein Gen in Nervenzellen, sodass ein Lichtblitz diese Zellen feuern ließ. Jetzt können Forschende genau bestimmte Zelltypen in einem lebenden Tier ein- oder ausschalten und sehen, was passiert. Das zeigt Ursache statt bloßer Korrelation.

2 Minuten

Das Gehirn hat etwa 90 Milliarden Nervenzellen, und Zellen mit völlig verschiedenen Aufgaben liegen durcheinander. Ein Jahrhundert lang konnte die Forschung sehen, welche Bereiche aufleuchten, aber nicht beweisen, welche Zellen was verursachen. Man stelle sich eine Stadt vor, in der jedes Haus gleich aussieht, und man will wissen, was die Bäckereien tun. Nun baut man eine Türklingel ein, die nur bei blauem Licht läutet, und zwar nur an Bäckereien. Genau das haben diese drei für das Gehirn getan. Hegemann und Nagel fanden die Klingel: ein Protein namens Kanalrhodopsin in einer Grünalge, die zum Licht schwimmt. Deisseroth fand heraus, wie man es in Nervenzellen einbaut. In einem frühen Experiment brachte sein Team es in eine bestimmte Zellgruppe schlafender Mäuse und leuchtete durch eine dünne Faser. Die Mäuse wachten eher auf. Das zeigte, dass diese Zellen das Aufwachen auslösen können. Derselbe Trick wurde seitdem genutzt, um Schaltkreise für Angsterinnerungen, Durst, Belohnung und Schmerz zu finden. Heute wird er getestet, um Menschen, die durch eine Augenkrankheit erblindet sind, etwas Sehkraft zurückzugeben.

Begriffe, die man hören wird

Ionenkanal: Ein winziges Tor in der äußeren Hülle einer Zelle, das geladene Teilchen hinein oder hinaus lässt.
Kanalrhodopsin: Ein Algenprotein, das ein Ionenkanal ist und sich öffnet, wenn blaues Licht darauf fällt.
Optogenetik: Gene und Licht nutzen, um ausgewählte Zellen ein- oder auszuschalten.
Chlamydomonas: Eine einzellige Grünalge, etwa 0,015 mm groß, die zum Licht schwimmt.
Nervensignal: Ein kurzer elektrischer Impuls, den eine Nervenzelle aussendet, um eine Nachricht weiterzugeben.
Glasfaser: Ein dünner Glasfaden, der Licht tief ins Gewebe leitet.
Engramm: Die bestimmte Gruppe von Nervenzellen, die eine Erinnerung speichert.
Retinitis pigmentosa: Eine erbliche Augenkrankheit, die die lichtempfindlichen Zellen des Auges zerstört und zur Erblindung führt.

Sources, reader versions and the quiz are on the English page.