Neue Technik öffnet Fenster in die Gehirnforschung

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Bevor Doktorand Ed Boyden geklickt, die blaues Licht gesendet wusste pulsieren in eine Schüssel mit kultivierten Gehirnzellen in den frühen Morgenstunden des 4. August 2004, er, dass er, erfahren würde egal was als nächstes geschah. Wenn die kultivierte Gehirnzellen weiterhin über ihr Geschäft, ungestört durch das Licht zu gehen, würde er wissen, dass etwas noch nicht wie geplant fort und er würde packen und nach Hause für die Nacht. Alternativ, wenn die kultivierte Gehirnzellen mit einem Platzen der elektrischen Aktivität reagiert, wie er beabsichtigt, er in ein weiteres spät in die Nacht im Labor wäre.

Er war in Ordnung, bei beiden Optionen.

"Ich bin ein großer Fan von"give it a Try"-Methode. Wenn Sie ein Experiment, um einen konstruktiven Fehler werden design, wenn Sie es gestalten, so dass es immer noch Ihnen etwas sagen auch wenn es nicht funktioniert, ist es ein Weg, um herauszufinden, was vor sich geht."

Wie sich herausstellte, war er in eine sehr lange Nacht.

"Wir hatten Glück, es funktionierte beim ersten Versuch", sagt Boyden.

Das erfolgreiche Experiment in dieser Nacht im Jahr 2004 führte schließlich zu die Entwicklung einer revolutionären neuen Forschung Technik bekannt als Optogenetik. Optogenetik ermöglicht Wissenschaftlern Licht verwenden, um die Aktivität der Nervenzellen im Gehirn genau zu steuern.

Jetzt ist Professor am Massachusetts Institute of Technology, Boyden für seine Verdienste gewürdigt; Er wurde von Grete Lundbeck European Brain Research Foundation als als einer der sechs Empfänger des 2013 "Gehirn-Preises," eine renommierte 1 Million Euro dotierte Auszeichnung im Jahr 2010 zu stimulieren und zu belohnen herausragende Hirnforschung erstellt.

Engineering für Gehirn-Entdeckung

Von der Zeit, die er an der Stanford University graduate Laufbahn im Herbst 1999 begann, wusste Boyden wollte er seine Ausbildung in Elektrotechnik gelten für das Gehirn zu verstehen. Heute erinnert er sich, die viele late-Night Brainstorming-Sitzungen, die er mit seinem Kommilitonen Karl Deisseroth teilte – auch ein Empfänger von den diesjährigen Gehirn Preis – über mögliche Wege, um festzustellen, wie Gehirnzellen zusammen arbeiten.

Boyden und Deisseroth wusste, dass vorhandene Technologien, wie elektrische Stimulation, würde nicht es schneiden, wenn es darum ging, das große Bild von der Funktionsweise des Gehirns zu verstehen.

Für eine Sache verstehen nicht Wissenschaftler, ob das Gehirn mit Strom Zappen erhöht oder die Aktivität der Nervenzellen im Gehirn verringert.

Darüber hinaus konnte elektrischer Stimulation nicht verwendet werden, um gezielt bestimmte Populationen von Neuronen. Daher, auch wenn die Forscher nur einen kleinen Bereich des Gehirns mit elektrischer Stimulation rüttelte, konnte nicht sie welche der vielen Arten von Neuronen in diesen Bereichen, die sich daraus ergebenden Veränderungen verursacht identifizieren.

"Wir wollten nach hinten aus dem Ziel des Verstehens des Gehirns als Ganzes zu arbeiten", sagt Boyden. "Wir wollten die Werkzeuge zu konstruieren, die uns dort bekommen würde."

Nutzung von Licht als Werkzeug für Hirnforschung

Francis Crick, der DNA-die Entdeckung Duo Watson und Crick, zuerst schlug die Idee der Verwendung von Licht zur Aktivität des Gehirns im Jahr 1999.

Crick argumentierte, dass wenn bestimmte Populationen von Neuronen auf Licht reagieren, während andere immun dagegen blieben gezwungen werden könnte, Forscher könnte effektiv gezielte Neuronen "on" oder "off" mit Licht und damit die jeweiligen Funktionen dieser Neuronen zu identifizieren.

Aber es gab eine wichtige Hürde, die zuerst überwunden werden mussten: Wissenschaftler wusste noch nicht wie Neuronen reagieren auf Licht zu zwingen.

Im Jahr 2002 Wissenschaftler Gero Miesenböck zeigte aber, dass wenn Säugetier-Neuronen ein kleines Fragment der DNA aus einer Fruchtfliege eingefügt wurden, Licht mit einer Flut von elektrische Aktivität der Neuronen reagieren würde.

Boydens wegweisenden Licht Experiment im Jahr 2004 verwendet Miesenböck Technik - – aber mit einem Twist. Statt der kultivierten Neuronen Miesenböcks Fruchtfliege abgeleitete Protein einlegen bevor er Licht durch sie gepulst, Boyden eingefügt ein Protein bekannt als Channelrhodopsin-2 (ChR2).

Und zwar deshalb, weil ChR2 viel schnellere und präzisere Kontrolle von Neuronen unterstützt als Miesenböcks Fruchtfliege abgeleitete Protein hat. ChR2 wurde von deutschen Wissenschaftlern Ernst Bamberg, Peter Hegemann und Georg Nagel aus gemeinsamen Teich Algen isoliert.

Vorteile der Optogenetik

Diese neue Technik für die Untersuchung von Gehirn, genannt "Optogenetik," verbessert bestehende Technologien auf verschiedene kritische Weise. Beispielsweise wissen Forscher, dass die Neuronen, die ChR2 ausdrücken aktiviert werden, im Gegensatz zu schweigen, durch das Licht. Dies ermöglicht es ihnen mit Sicherheit sagen, dass alle Effekte, die sie beobachten zu einer Erhöhung der Aktivität in der gezielten Neuronen verbunden sind.

Im Gegensatz zu elektrischen Stimulation, der wodurch die Zellen gezielt zur Manipulation beschädigt werden können, hat Licht selbst darüber hinaus offenbar nur wenige, wenn überhaupt, negative Auswirkungen auf gezielte Neuronen und das umliegende Gewebe. Wichtiger ist, können Ermittler das Protein in bestimmten Nervenzellen ausdrücken, ohne andere, erleichtert die Rolle der bestimmte Teilmengen der Gehirnzellen herauskitzeln.

Die jüngsten Verbesserungen

Seit 2004 haben Boyden und Deisseroth Proteine identifiziert, die verwendet werden können, zu aktivieren oder gezielte neuronale Populationen zum Schweigen zu bringen. Dieser Fortschritt ermöglicht Forschern, welcher Ansatz zu wählen – Aktivierung oder zum Schweigen zu bringen – eignet sich mehr für ihre besonderen Forschungsschwerpunkt.

Mit Mitteln aus der National Science Foundation, haben Boyden und Deisseroth auch erzielte Fortschritte Optogenetik Technologie, die es ermöglichen eine präzisere Manipulation von neuronaler Aktivität als je zuvor möglich war.

Aufschluss über Erkrankungen des Gehirns

Nach Boyden beleuchtet Optogenetik nicht nur wie das gesunde Gehirn funktioniert, sondern bietet auch einen Einblick in was passiert, wenn etwas schief geht.

"Optogenetik ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das wir verwenden können, um auf die Jagd nach Bereichen des Gehirns, die an Erkrankungen des Gehirns beteiligt sind", sagt Boyden. "Es kann potenzielle neue Ziele für die medikamentöse Therapie oder Tiefe Hirnstimulation Identifikation zu ermöglichen."

Dies könnte für Erkrankungen des Gehirns wie Autismus, posttraumatische Belastungsstörung und Epilepsie besonders kritisch sein, die schwer zu lernen, weil ihre zugrunde liegenden Störungen oft mit funktionalen, anstatt strukturelle, Probleme in der Gehirn-Schaltung verbunden sind.

Aber was Boyden als einer der wichtigsten Beiträge von Technologien wie Optogenetik sieht, ist die Tatsache, dass sie einige der Rätsel und Angst über die Funktionsweise des Gehirns zu entfernen.

"Eine Sache Technologien wie Optogenetik Do Hilfe Show ist, die Störungen des Gehirns verständlich und oft behandelbar sind" sagen Boyden. "Dies geht ein langer Weg, wenn wir darüber nachdenken das Stigma der psychischen Störungen und psychiatrischen Erkrankungen zu entfernen."

Zusammenarbeit zu feiern

Boyden hat in den letzten Jahren viele wohlverdiente Auszeichnungen für seine Arbeit erhalten. Lundbeck Stiftungspreis, ist jedoch besonders zu ihm, weil es gemeinsame Wissenschaft feiert; Er teilt es mit Deisseroth sowie mit anderen Wissenschaftlern – einschließlich Miesenböck, Bamberg, Hegemann und Nagel —, die geholfen haben, legen den Grundstein für Optogenetik.

"Meine Hoffnung ist, dass dies mehr Omni-disziplinäre Forschung und mehr Anerkennung für diese Art von Zusammenarbeit, fördert", sagt Boyden.

Anmerkung der Redaktion: Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden unterstützt durch die National Science Foundation , die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.