Leuchtende Gedanken

 Kopf einer Zebrafischlarve mit leuchtenden Neuronen (Bild: Muto et al. / Current Biology)
Kopf einer Zebrafischlarve mit leuchtenden Neuronen (Bild: Muto et al. / Current Biology)
Ein paar leuchtende Punkte, die sich mal nach oben und unten und mal nach rechts oder links bewegen - so sehen die Gedanken eines Zebrafisches aus, wenn er eine fette Beute vor sich sieht. Mit Hilfe einer neuen Methode haben japanische Forscher erstmals live in das Gehirn der kleinen Fische geblickt - und die neuronale Aktivität bei bestimmten Verhaltensweisen bis in die einzelne Zelle sichtbar gemacht. Das Tier muss dafür weder in die "Röhre", noch in irgendeiner Form aufgeschnitten werden. Denn das verräterische Leuchten entsteht durch einen genetischen Trick.
Was passiert in unserem Gehirn, wenn wir denken? Welche Neuronen feuern, wenn wir einen bekannten Menschen sehen oder einen Gegenstand? Und wie lässt sich dieses Signal von den vielen anderen trennen, die selbst in tiefer Ruhe zwischen unseren Nervenzellen ausgetauscht werden? "Um genau zu verstehen, wie das Gehirn die Außenwelt wahrnimmt, müssen wir seine Aktivität während der Wahrnehmung in Echtzeit beobachten", erklären Akira Muto vom Nationalen Institut für Genetik im japanischen Shizuoka und seine Kollegen.

Das aber ist alles andere als einfach. Zwar gewähren Hirnscans bereits einen recht guten Einblick, welche Gehirnbereiche bei bestimmten Verhaltensweisen oder Empfindungen aktiv sind. Die Auflösung dieser Scanner reicht aber nicht bis in die einzelne Gehirnzelle hinein. Sie zeigen beispielsweise nicht, welche Zelle gerade ihren Stoffwechsel ändert und so in den erregten Zustand wechselt. Den zellgenauen Ablauf eines Gedankens in Echtzeit können diese Methoden daher nicht dokumentieren.

Grünes Leuchten bei Kalzium-Einstrom

Muto und seine Kollegen haben nun eine Methode entwickelt, die dies erstmals ermöglicht - wenngleich zunächst nur am Zebrafisch. Denn diese Lieblingstiere der Neurobiologen haben einen entscheidenden Vorteil: Ihr Körper ist während ihrer Larvenzeit komplett durchsichtig. Organe, Adern und Gehirn sind daher ganz einfach von außen sichtbar. Um die Gedanken eines solchen Fisches sehen zu können, griffen die Forscher zu einem genetischen Trick: Sie schleusten in das Erbgut der Zebrafische ein Gen ein, das eine Substanz erzeugt, die dann aufleuchtet, wenn die Zelle Kalzium-Ionen aufnimmt. Dies geschieht immer dann, wenn die Nervenzelle aktiv wird und "feuert".

Für ihren ersten Test setzten die Forscher eine derart genmanipulierte Zebrafischlarve in eine kleine Schale, und zeigten ihr mittels kleinem Bildschirm einen sich langsam bewegenden dunklen Fleck. Gleichzeitig visierten sie mit einem Mikroskop das Gehirn des Tieres an und beobachteten, was sich dort tat. Tatsächlich zeigten sich dort verräterische Leuchtspuren: Einzelne Neuronen leuchteten auf. "Wir stellten fest, dass die Kalzium-Signale sich in verschiedenen Richtungen bewegten, je nachdem, ob der Fleck nach oben und unten oder nach rechts und links wanderte", erklären Muto und seine Kollegen.

Neuronen auf Beutefang

Im zweiten Test wollten die Forscher prüfen, ob sie die Gedanken des Fisches auch bei einem für ihn natürlichen Verhalten verfolgen können. "Die Zebrafischlarven zeigen schon mit vier Tagen ein typisches Beutefangverhalten", erklären sie. Sichte der Fisch eine potenzielle Nahrung, beispielsweise ein Wimpertierchen, richte er zunächst beide Augen auf dieses Objekt. Dann schwimme er näher heran und schnappe schließlich zu. "Wir wollten nun wissen, wie die Neuronen im Fischgehirn reagieren, wenn er ein schwimmendes Wimpertierchen sieht", sagen Muto und seine Kollegen.

Der Blick ins Gehirn des Fisches gelang: Während die Zebrafischlarve das umherschwimmende Wimpertierchen fixierte, zeigte sich eine leuchtende Spur von Kalzium-aufnehmenden Neuronen in seinem Sehzentrum. Und auch hier konnten die Forscher direkt am Aufleuchten der Nervenzellen ablesen, in welche Richtung sich die vom Fisch fixierte Beute bewegte: "Wenn das Wimpertierchen sich von rechts nach links bewegte, von oben nach unten oder von vorne nach hinten, bewegten sich auch die Kalzium-Signale im Sehzentrum entsprechend", berichten die Wissenschaftler. Und auch der nächste Schritt im Beutefangverhalten, die Annäherung an die Beute, spiegelte sich Zelle für Zelle im Gehirn wider. "Die Kalzium-Signale wanderten kurz davor etwas weiter nach hinten", schildern die Forscher. Das deute darauf hin, dass die Aktivität dort einen Signalweg anwerfe, der das Heranschwimmen vorbereite.

Nach Ansicht der Forscher demonstrieren diese Ergebnisse, dass es mit dieser Methode erstmals möglich ist, zellgenau und in Echtzeit in das Gehirn eines lebenden Tieres zu blicken - und dies, während es einem natürlichen Verhalten nachgehe. "Wir können damit das bisher Unsichtbare sichtbar machen - das ist das Entscheidende", erklärt Studienleiter Koichi Kawakami vom Nationalen Institut für Genetik im japanischen Shizuoka. Das Gehirn des Zebrafisches ist dem des Menschen in seinem Grundaufbau und seiner Funktionsweise ähnlich. Deshalb sind die Forscher zuversichtlich, dass mit Hilfe ihrer Methode auch andere biochemischen Prozesse beim Denken - beispielsweise die Ausschüttung von Botenstoffen - zukünftig besser erforscht werden können. Möglicherweise könne dies auch dazu beitragen, neue Wirkstoffe für die Behandlung neurologischer Krankheiten zu finden, hoffen die Wissenschaftler.
Akira Muto (National Institute of Genetics, Shizuoka) et al.: Current Biology, doi: 10.1016/j.cub.2012.12.040

© wissenschaft.de - Nadja Podbregar


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