Einblicke in die Nervenzellaktivität

Foto: Nervenzellen der Großhirnrinde

(Links) Querschnitt eines Säugetier-
gehirns. Beide Gehirnhälften sowie
der Kortex sind zu erkennen. (Rechts)
Markierte Gehirnzellen. Bei steigender
Aktivität einer Nervenzelle leuchtet
der Farbstoff heller; © Wolfgang Mitt-
mann, Jason Kerr / Max-Planck-Institut
für biologische Kybernetik

Objekte, die wir sehen oder berühren, werden durch komplexe Interaktionen der Nervenzellen im Gehirn in eine Wahrnehmung umgesetzt. Wie die Nervenzellen bei diesen Prozessen oder auch bei einer Entscheidungsfindung räumlich und zeitlich aktiv werden, ist noch nicht aufgeklärt.

Die Großhirnrinde (Kortex) ist die äußerste, nervenzellreiche Lage im Säugetiergehirn. Er spielt eine zentrale Rolle beim Erinnerungsvermögen und dem Bewusstsein und nimmt auch die Sinneseindrücke von äußeren Reizen, wie Bildern, Berührungen oder Gerüchen auf und verarbeitet sie weiter. Wie genau diese Informationsverarbeitung funktioniert, ist jedoch noch unbekannt. Jason Kerr, Leiter der Arbeitsgruppe „Bildgebung Neuronaler Populationen“ am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen, und seine Teamkollegen, Wolfgang Mittmann, Damian Wallace und Uwe Czubayko, haben es nun geschafft, die Aktivität vieler Nervenzellen gleichzeitig abzubilden. Die Forscher drangen doppelt so tief wie bisher in den Kortex ein und konnten die Darstellung bis zur einzelnen Zelle auflösen.

Bisher war es nur möglich, Zellen im oberen Drittel der Großhirnrinde zu untersuchen – in den Schichten L2 und L3. Tiefere Schichten konnten nur mithilfe von Elektroden oder anderen invasiven Methoden untersucht werden. Die Wissenschaftler haben eine Methode weiter entwickelt, mit der sie bis zu einem Millimeter unter der kortikalen Oberfläche genau sehen können, welche Zelle bei einem Reiz aktiv ist und, was noch wichtiger ist, welche Zelle bei einem Reiz nicht reagiert. „Wir markieren die interessanten Nervenzellen mithilfe eines genetisch codierten Aktivitätsreporters, eines Fluoreszenzfarbstoffs, um die Aktivität vieler Zellen gleichzeitig untersuchen zu können“, erklärt Kerr. Bei steigender Aktivität einer Nervenzelle leuchtet auch der Farbstoff heller. Kerr und sein Team kombinierten diese Fluoreszenzmarkierung mit einer speziellen Methode der Multi-Photonen-Mikroskopie (regenerative amplification multiphoton microscopy – RAMM). Auf diese Weise können sie bis in die tiefen Schichten L5a und L5b der Großhirnrinde sowohl spontane als auch durch Reize ausgelöste Reaktionen der Nervenzellnetzwerke aufnehmen und quantifizieren.

Ziel der Forschung ist, die Zellaktivität von Nervenzellnetzwerken in der ganzen Großhirnrinde, von Schicht 6 bis 1 zu dokumentieren. Das Verfahren soll bald in Experimenten mit Tieren eingesetzt werden, die gelernt haben, verschiedene Objekte zu unterscheiden. Außerdem wollen die Forscher untersuchen, ob sich die tieferen Schichten des Großhirns während eines Lernprozesses in ähnlicher Weise neu organisieren wie die oberen Schichten. Sie erhoffen sich insgesamt neue Einblicke in die Steuerungskreise im Großhirn wacher Tiere.

MEDICA.de; Quelle: Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik