EIN LICHT AUF DAS GEHIRN WERFEN
Entdecken Sie, wie Wissenschaftler Optik und Genetik nutzen, um die Geheimnisse des Gehirns zu lüften.
1. November 2023 von Ewa Zarnowska
Im menschlichen Gehirn* gibt es bis zu 100 Milliarden Neuronen und unsere Aufgabe ist es, noch so viel darüber zu entdecken, wie sie alle zusammenarbeiten, um die denkenden Wesen zu erschaffen, die wir sind. Neurowissenschaftler suchen nach Antworten auf die großen Fragen, wie das Gehirn funktioniert, wie sich das Nervensystem entwickelt und wie wir neurologische und psychiatrische Störungen besser verstehen und behandeln können.
Die Optogenetik ist ein unverzichtbares Werkzeug für neurowissenschaftliche Forscher. Sie ist eine Technik, bei der lichtempfindliche Proteine in bestimmte Arten von Neuronen kodiert werden, um sie auf Licht reagieren zu lassen.
Mit dieser neuartigen Methode können Wissenschaftler Neuronen präzise ein- oder ausschalten und so ihre Rolle bei wesentlichen Gehirnprozessen wie Lernen und Gedächtnis aufdecken. Diese Prozesse können bei verschiedenen Erkrankungen beeinträchtigt sein.
Wenn Forscher in der Optogenetik Neuronen beleuchten, die Opsine enthalten, kann dies dazu führen, dass diese Zellen aktiviert oder deaktiviert werden. Diese Veränderung spiegelt die grundlegende Art und Weise wider, wie Neuronen im Gehirn kommunizieren: über Aktionspotentiale.
Der rein optische Ansatz: Überbrückung von Lücken in den Neurowissenschaften
Das Timing von Aktionspotentialen enthält spezifische Informationen. Die Optogenetik verspricht, diese verschlüsselten Informationen aufzudecken und die Funktionsweise des Gehirns zu entschlüsseln. Während bei den ersten optogenetischen Experimenten fasergebundenes LED-Licht verwendet wurde, hat sich die Präzision der Lichtzufuhr mit Lasern, insbesondere Femtosekundenlasern, die eine dreidimensionale Präzision für die Photostimulation bieten, erheblich verbessert.
Durch die Kombination von Optogenetik und Multiphotonen-Bildgebung entwickelten Forscher den transformativen „volloptischen Ansatz“, bei dem ein Laser verwendet wird, um bestimmte Neuronen zu stimulieren (oder zum Schweigen zu bringen). Ein zweiter Laserstrahl bildet die Aktivität in anderen miteinander verbundenen Neuronen ab, indem Veränderungen in deren Fluoreszenzeigenschaften erfasst werden. Bei dieser Erfassung wird häufig ein fluoreszierender Kalziumionenindikator verwendet, da diese Ionen Veränderungen der Stoffwechselaktivitäten, einschließlich des Aktionspotentials, abbilden.
Diese Methode bietet im Vergleich zu früheren Techniken einen umfassenden und detaillierten Blick auf die Zellaktivitäten mit der Möglichkeit der Auflösung eines einzelnen Neurons.
Zudem geschieht dies ohne die Invasivität oder Einschränkungen älterer elektrophysiologischer Techniken.
Heute können Neurowissenschaftler die synchronisierten Aktivitäten von Hunderten von Zellen aufzeichnen, wenn Tiere natürliche Verhaltensweisen zeigen.
Darüber hinaus versuchen Forscher, in die Aktivität bestimmter Zellen, die während des Verhaltens des Tieres Aktionspotentiale feuern, mit Hilfe der Optogenetik einzugreifen, um ihre Bedeutung für das beobachtete Verhalten zu bestätigen.
Diese Zellen können, obwohl sie zum selben Schaltkreis gehören, in unterschiedlichen Tiefen des Gehirns liegen. Es wurden spezielle Hilfsmittel entwickelt, um die optischen Aufbauten so anzupassen, dass sie gleichzeitig auf diese Zellen zielen.
In der Regel wird ein hochdispersiver räumlicher Lichtmodulator verwendet, um mehrere Laserstrahlchen für die volumetrische Multiphotonen-Optogenetik zu erzeugen, wobei jedes Strahlchen auf ein anderes spezifisches Neuron abzielt. Die Wirksamkeit der Lichtstörung beruht auf der gleichzeitigen Multiphotonen-Bildgebung zur Überwachung von Veränderungen in der Intensität der Fluoreszenzsignale von Sensoren, die den Zustand der Zellen (aktiv oder inaktiv) anzeigen.
Coherent ist Vorreiter bei Lösungen für die Optogenetik
Bei rein optischen Multiphotonen-Experimenten sind die am häufigsten verwendeten Paare aus Aktoren (Opsinen) und Sensoren rote Opsine (empfindlich für Wellenlängen um und über 1000 nm) und grüne Indikatoren (empfindlich für Wellenlängen um 900 nm). Diese spektrale Trennung minimiert mögliche Überschneidungen zwischen der Photostimulation und der Fluoreszenzbildgebung.
Der Bereich der Entwicklung neuer Fluoreszenzsonden für die Multiphotonenmikroskopie entwickelt sich ständig weiter, wobei der Schwerpunkt auf der Spektralabstimmung liegt. Rotverschobenes Licht dringt tiefer in das Gewebe ein, ist weniger energiereich als blauverschobenes Licht und verursacht weniger Lichtschäden. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn Opsine mit fluoreszierenden Markierungen und Spannungs- und Kalziumindikatoren kombiniert werden, um eine Überlagerung zu reduzieren.
Zur Erleichterung komplexer rein optischer Experimente bietet Coherent ein breites Portfolio an Femtosekundenlasern für Multiphotonen-Optogenetik und Bildgebung an.
Für alle, die sich mit rein optischen Multiphotonen-Experimenten beschäftigen, sind die Femtosekundenlaser von Coherent unverzichtbar.
Produkte wie Coherent Monaco LX und Coherent Axon 1064 sind nicht nur auf dem neuesten Stand der Technik, sondern wurden speziell für unterschiedliche Forschungsanforderungen und Budgeteinschränkungen entwickelt.
Jeder Laser in unserem Repertoire verfügt über einzigartige Fähigkeiten, die sicherstellen, dass Forschende genau die Werkzeuge haben, die sie benötigen.
Optogenetik: Ein Hoffnungsträger für die Zukunft
Die Horizonte der Optogenetik erstrecken sich in weite Ferne. In der Medizin verspricht es, sich zu einer gezielten Behandlungsmöglichkeit von Körper und Psyche belastenden Erkrankungen wie Epilepsie, Parkinson und sogar Depressionen zu entwickeln.
Über die Medizin hinaus hat es das Potenzial, Gehirn-Computer-Schnittstellen und Neuroprothetik zu revolutionieren. Dies könnte für Menschen mit Lähmungen oder anderen neurologischen Erkrankungen lebensverändernd sein und ihnen neue Möglichkeiten zur Interaktion mit der Welt eröffnen.
Erfahren Sie mehr über Lösungen von Coherent für Optogenetik.
