Nervenzellaktivität freischwimmender Fischen beobachten

HFSP Project Grant zum Verbessern der optischen Mikroskopie

Wir nehmen etwas über unsere Sinne wahr und reagieren dann entsprechend darauf. Wie das Gehirn diese Sinneseindrücke jedoch verarbeitet und daraus eine sinnvolle Verhaltensantwort generiert, ist nach wie vor kaum verstanden. Ein Wissenschaftlerteam vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried, der Berliner Charité und der University of North Carolina wollen nun die optische Mikroskopie so erweitern, dass die Aktivität einzelner Nervenzellen in freischwimmenden Zebrafischlarven sichtbar wird. Dies soll die Forschung dazu, wie aus Sinneseindrücken Verhaltensantworten entstehen, weiter vorantreiben. Das Human Frontier Science Program (HFSP) unterstützt das Projekt mit einem Forschungsstipendium.

Eines der großen Ziele der Systemneurobiologie ist es zu verstehen, wie das Gehirn die Informationen der Sinne verarbeitet und darauf aufbauend ein Verhalten auslöst. Um diesen Vorgang zu untersuchen müssten jedoch die Nervenzellen im Netzwerk sichtbar werden, die aktiv sind werden der Organismus etwas wahrnimmt und dann darauf reagiert. Was lange Zeit als undenkbar galt ist durch Fortschritte in der Genetik, Optogenetik und Mikroskopie heute möglich. So können einzelne Nervenzellen bei Aktivität aufleuchten oder durch das Anleuchten mit Licht in ihrer Aktivität beeinflusst werden.

Als vielversprechendes Modell für diese nicht-invasive Forschung gelten die Larven eines kleinen Wirbeltiers: Die rund fünf Millimeter langen Zebrafischlarven sind fast komplett durchsichtig und ihr Gehirn so klein, dass ein Großteil der Nervenzellen durch das Mikroskop zu erkennen sind.

Um die Nervenzellaktivität zu dokumentieren, wird der Kopf der Fischlarve in ein Gel eingebettet. So können Wissenschaftler durch das Mikroskop beobachten, welche Nervenzellen aktiv sind, während die Tiere einen Stimulus sehen und darauf reagieren. Das kurzzeitige Fixieren des Fischkopfes beeinträchtigt die Tiere kaum, die nach dem Versuch frei weiterschwimmen. Die gezeigte virtuelle Umgebung ist jedoch kein vollständiger Ersatz für natürliche Umgebungen. Eine Tatsache, die dem Fortschritt auf diesem Forschungsgebiet im Weg steht.

Ruben Portugues, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Neurobiologie, und seine Kollegen Benjamin Judkewitz und Spencer Smith wollen diese Hürde nun beseitigen. Im Rahmen ihres HFSP geförderten Projekts wollen sie ihr Wissen aus den Bereichen der Entwicklung optischer Systeme, des Wavefront-Shapings, der Elektrotechnik und der Zebrafisch-Neurobiologie zusammenbringen, um die Aktivität einzelner Nervenzellen auch in sich frei bewegenden Fischen sichtbar zu machen. Die Förderung beträgt rund 300.000 US-Dollar für jedes Team und läuft über drei Jahre.