Einige große wissenschaftliche Entdeckungen werden nicht wirklich entdeckt. Sie sind ausgeliehen. Das geschah, als Wissenschaftler Proteine von einem ungewöhnlichen Kreditgeber anwarben: Grünalgen.
Zellen der Algenart Chlamydomonas reinhardtii sind mit Proteinen verziert, die Licht wahrnehmen können. Diese Fähigkeit, die erstmals 2002 entdeckt wurde, erregte schnell die Aufmerksamkeit von Hirnforschern. Ein lichtempfindliches Protein versprach die Macht, Neuronen – die Nervenzellen des Gehirns – zu kontrollieren, indem es ihnen eine Möglichkeit bot, sie genau am richtigen Ort und zur richtigen Zeit ein- und auszuschalten.
Nervenzellen, die gentechnisch verändert wurden, um die Algenproteine zu produzieren, werden zu lichtgesteuerten Marionetten. Ein Lichtblitz könnte ein ruhiges Neuron dazu bringen, Signale abzufeuern oder ein aktives Neuron zum Schweigen zu bringen.
„Dieses Molekül ist der Lichtsensor, den wir brauchten“, sagt die Neurowissenschaftlerin Zhuo-Hua Pan, die nach einer Möglichkeit gesucht hatte, Sehzellen in der Netzhaut von Mäusen zu kontrollieren.
Die durch diese Leihproteine ermöglichte Methode wird heute Optogenetik genannt, weil sie Licht (Opto) und Gene kombiniert. In weniger als zwei Jahrzehnten hat die Optogenetik zu großen Erkenntnissen geführt, wie Erinnerungen gespeichert werden, was Wahrnehmungen erzeugt und was bei Depressionen und Sucht im Gehirn schief läuft.
Mit Licht, um die Aktivität bestimmter Nervenzellen zu steuern, haben Wissenschaftler mit Maushalluzinationen gespielt: Mäuse haben Linien gesehen, die nicht da sind, und sich an einen Raum erinnert, in dem sie noch nie gewesen waren. Wissenschaftler haben Optogenetik verwendet, um Mäuse kämpfen, paaren und fressen zu lassen und sogar blinden Mäusen das Augenlicht zu geben. In einer großen Premiere hat die Optogenetik kürzlich Aspekte des Sehvermögens eines Blinden wiederhergestellt.
Ein erster Hinweis auf das Potenzial der Optogenetik kam am 4. August 2004 gegen 1 Uhr morgens. Der Neurowissenschaftler Ed Boyden war in einem Labor in Stanford und untersuchte eine Schale mit Neuronen, die ein Gen für einen der Algenlichtsensoren namens Channelrhodopsin-2 enthielten . Boyden würde die Zellen mit blauem Licht anzünden und sehen, ob sie Signale abfeuerten. Zu seinem Erstaunen reagierte die allererste Zelle, die er überprüfte, mit einem Aktionsschub auf das Licht, schrieb Boyden in einem Bericht aus dem Jahr 2011. Die Möglichkeiten, die sich aus diesem kleinen Funken Aktivität ergaben, der 2005 in einem technischen Bericht von Boyden, Karl Deisseroth von der Stanford University und Kollegen beschrieben wurde, wurden schnell Realität.
In Pans Labor stellten lichtempfindliche Proteine das Sehvermögen von Mäusen mit geschädigter Netzhaut wieder her, ein Befund, der nun zu einer klinischen Studie bei Menschen geführt hat. Das Versprechen der Optogenetik war in diesen frühen Tagen nicht gegeben, als Wissenschaftler zuerst lernten, wie man diese Proteine in Neuronen verwendet. „Damals ahnte niemand, dass diese optogenetische Arbeit einen so großen Einfluss haben würde“, sagt Pan.
Seit diesen frühen Entdeckungen wurden die Lichtsensoren der Algen in zahlreichen Arenen der Hirnforschung eingesetzt. Die Neurowissenschaftlerin Talia Lerner von der Northwestern University in Chicago beispielsweise verwendet Optogenetik, um Verbindungen zwischen Zellen im Mausgehirn zu untersuchen. Die Methode ermöglicht es ihr, die Beziehungen zwischen Zellen, die Dopamin produzieren und darauf reagieren, auseinander zu bringen, einem chemischen Botenstoff, der an Bewegung und Belohnung beteiligt ist. Diese durch Optogenetik beleuchteten zellulären Verbindungen könnten dazu beitragen, Details über Motivation und Lernen zu enthüllen. „Ohne Optogenetik wäre meine Forschung in der jetzigen Form wirklich nicht möglich“, sagt sie.
Auch für Jeanne Paz von den Gladstone Institutes in San Francisco ist Optogenetik unverzichtbar. Sie und ihre Kollegen haben nach den Zellen gesucht, die verhindern können, dass sich Anfälle im Gehirn ausbreiten. Indem sie ihr die Möglichkeit gibt, verschiedene Gruppen von Neuronen zu kontrollieren, ist die Optogenetik für ihre Suche von entscheidender Bedeutung. „Diese Fragen konnten wir mit keinem anderen Tool wirklich stellen“, sagt Paz.
Ihre optogenetikgestützte Suche führte Paz zu einer Gehirnstruktur namens Thalamus, einer Zwischenstation für viele neuronale Netze im Gehirn. „Ich erinnere mich an die Gänsehaut, die ich erlebte, als ich das Licht zum ersten Mal in den Thalamus richtete und den Anfall stoppte“, sagt sie.
Bisher fand die optogenetische Forschung hauptsächlich an Mäusen statt. Aber bald könnten Einblicke in komplexere Gehirne, auch von Primaten, gefunden werden, sagt Yasmine El-Shamayleh von der Columbia University. Im Jahr 2009 beschrieben Boyden und Kollegen die Optogenetik bei einem Makaken. El-Shamayleh und andere treiben diese Forschungsrichtung mit Nachdruck voran. „Wir stehen definitiv kurz davor“, einige faszinierende Prinzipien des Primatengehirns zu enthüllen, etwa wie das Gehirn Signale von den Augen in Wahrnehmungen umwandelt, sagt sie.
Die Optogenetik hat sich schnell weiterentwickelt. Wissenschaftler haben neue Lichtsensoren entwickelt und optimiert und neue Möglichkeiten, sie mit anderen Techniken zu kombinieren. Ein wichtiger Grund für die heute weit verbreitete Innovation, sagt Lerner, war der frühe Geist des Teilens durch Pioniere der Optogenetik. In Stanford veranstaltete Deisseroth regelmäßig Workshops, um andere Wissenschaftler in der Technik zu schulen. „In gewisser Weise ist das genauso wichtig wie die Erfindung“, sagt Lerner.
Es lohnt sich also, sich eine Minute Zeit zu nehmen, um die ursprünglichen Sharer zu schätzen. Egal, was als nächstes in diesem schnelllebigen Feld passiert, eines ist sicher: Hirnforscher werden für immer in der Schuld der Algen stehen.