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Bewegungsmelder im Gehirn

An Zebrafischlarven haben Forscher des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung nachgewiesen, dass die Verarbeitung des Bewegungssehens in den Sehzentren des Gehirns durch richtungsempfindliche Nervenzellen erfolgt. Diese sind in räumlich getrennten Schaltkreisen angeordnet. Unterschiedliche Bewegungsrichtungen werden in unterschiedlichen Schichten repräsentiert.

Zebrafischlarve, ca. 4 mm lang © Bollmann, MPImF

Der gewöhnlich als Zebrafisch bezeichnete Zebrabärbling (Danio rerio) gehört heute zu den beliebtesten Modellorganismen biologischer Forschung: Er ist klein, robust, hat einen kurzen Generationszyklus und ist leicht und preiswert in großen Mengen zu halten. Sein Genom ist bereits sequenziert. Effiziente Methoden zur Gewinnung und zum Screenen von Mutanten sind etabliert. Als Wirbeltier steht er dem Menschen viel näher als die Fliege oder der Fadenwurm. Viele am Zebrafisch gewonnenen genetischen, entwicklungsbiologischen und physiologischen Erkenntnisse lassen sich auf den Menschen übertragen. Einen immensen experimentellen Vorteil bedeutet es, dass die Embryonalentwicklung vollständig außerhalb des Mutterleibes erfolgt und – da Embryonen und frühe Larvenstadien optisch durchsichtig sind - mit lichtmikroskopischen Methoden untersucht werden können.

Phantomjagd der Zebrafischlarven

Teilweise eingebettete Zebrafischlarve betrachtet virtuelle Beute auf einer kleinen Leinwand. © Bollmann, MPImF

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung (MPImF) in Heidelberg machen sich diese günstigen Eigenschaften der Zebrafischlarve für die Neurobiologie zunutze. Sie wollen verstehen, was in den Augen und im Sehzentrum des Gehirns vor sich geht, wenn Bewegungsabläufe wahrgenommen werden. Im Alter von sieben Tagen misst die Larve etwa vier Millimeter und ihr Gehirn ist maximal 0,5 mm dick. Da die Haut durchsichtig ist, können „praktisch alle Bereiche ihres Gehirns unter Verwendung der Mehrphotonen-Fluoreszenzmikroskopie mit zellulärer Auflösung durchleuchtet werden“, erklärte Dr. Johann Bollmann, der am MPImF die Forschungsgruppe „Neural Circuits and Behavior“ in der Abteilung Biomedizinische Optik leitet. So winzig wie sie sind, ähneln die Augen und das Sehzentrum im Mittelhirn der Larve in ihrem Aufbau doch prinzipiell den Sehzentren der Säugetiere. Mithilfe dieses gut entwickelten Sehsystems und einem damit gekoppelten Beutefangverhalten macht die Zebrafischlarve Jagd auf Wimpertierchen und andere einzellige Organismen im Wasser. Aus der Analyse dieser zielgerichteten Bewegungsabläufe und der dabei erfolgenden elektrischen Signale im Nervensystem erhoffen sich die Max-Planck-Forscher, das Zusammenwirken der Neuronen im intakten Gehirn besser zu verstehen.

Augen und die von der Retina zum Tektum führende Projektion in einem 3 Tage alten Zebrafisch, angefärbt mit einem Antikörper gegen ath5-GFP. © Bollmann, MPImF

Zunächst wurde das Schwimmverhalten der Larven mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras festgehalten und aus diesen Informationen eine virtuelle Umwelt für die kleinen Fische geschaffen, in der ihnen ihre Beutetiere als Bildprojektionen präsentiert wurden. Die Larven wurden dazu vorübergehend mit einem schmalen Gelstreifen so gehalten, dass sie Augen- und Schwanzbewegungen in Richtung ihrer virtuellen Beute hin ausführen konnten, ohne sich tatsächlich fortzubewegen. Mit dieser Versuchsanordnung konnten Bollmann und seine Mitarbeiter Bewegungen des Phantom-Wimpertierchens gezielt vorgeben und die Reaktionen des Sehsystems und die darauf erfolgenden Bewegungen der Larve beim Beutefangverhalten exakt messen. Durch optophysiologische Ansätze mit transgenen Fischlarven ließen sich außerdem die dabei entstehenden elektrischen Signale im Nervensystem mit dem Fluoreszenzmikroskop sichtbar machen.

Nachweis richtungsempfindlicher Nervenzellen

Die Heidelberger Wissenschaftler verwendeten Fischlarven, in denen der molekulare Marker GFP (Grün-fluoreszierendes Protein) in einem spezifischen Nervenzelltyp im Dach (Tektum) des Mittelhirns exprimiert wird. In Zusammenarbeit mit der von Soojin Ryu geleiteten Gruppe „Entwicklungsgenetik des Nervensystems“, ebenfalls am MPImF, wurde außerdem ein Gen für das Kalzium-empfindliche Protein GCaMP3 so in die Tiere eingeschleust, dass es nur in ganz bestimmten Nervenzellen angeschaltet wird und diese in Gegenwart von Kalzium zum Leuchten bringt.

Doppelfärbung der Retina einer Zebrafischlarve. Grün: Temporale Retina mit der (nach links) zum Tektum gehenden Projektion. Rot: nasale Retina. © Bollmann, MPImF

An der Bewegungswahrnehmung und ihrer Verarbeitung im Sehsystem der Wirbeltiere sind spezielle Nervenzellen beteiligt, die spezifisch auf bewegte Reize reagieren. Solche bewegungsempfindlichen Neuronen (DS-Neuronen: „direction-selective neurons“) - die beispielsweise reagieren, wenn der optische Reiz aus einer bestimmten Richtung erfolgt, nicht aber aus der Gegenrichtung - gibt es schon in der Netzhaut (Retina) des Auges, aber auch in Bereichen der Hirnrinde und im Tektum des Mittelhirns. Die Retina ist direkt mit dem Tektum über sogenannte Projektionsneuronen verbunden, deren Eingänge dort so angeordnet sind, dass räumlich benachbarte optische Reize im Auge auch einander benachbarte Regionen auf der Tektum-Oberfläche aktivieren. Die sensorischen Neuronen sind in Schaltkreisen mit motorischen Neuronen in den tiefer liegenden Schichten des Tektums verbunden, welche Augen- und Kopfbewegungen auslösen können. Diese Schaltkreise sind vor allem durch Experimente in anderen Tiermodellen nachgewiesen worden, in denen einzelne Neuronen mit feinen Elektroden aktiviert und sichtbar gemacht wurden.

Räumliche Anordnung der Bewegungsschaltkreise

Dr. Johann H. Bollmann, Biomedizinische Optik, Max-Planck-Institut für medizinische Forschung. © MPImF

Mithilfe neuer Techniken der Fluoreszenzmikroskopie wie der Mehrphotonenmikroskopie ist es möglich, die räumliche und zeitliche Verteilung von Aktivitätsmustern der Nervenzellen zu beobachten. Jetzt entdeckten die Heidelberger Max-Planck-Forscher mit diesen Methoden einen mit der Verarbeitung visueller Bewegungsrichtungen befassten Schaltkreis im Tektum der Zebrafischlarve. In Nervenzellen mit genetisch eingebautem GCaMP3 ließ sich mit der Mehrphotonenmikroskopie auch ihre Richtungsempfindlichkeit bestimmen. In den Zellkörper der identifizierten Nervenzellen wurde mit feinsten Glaspipetten ein roter Fluoreszenzfarbstoff eingebracht, der sich innerhalb weniger Minuten in die weit verzweigten Dendriten der Zelle ausbreitete. Mit derartigen Experimenten konnten zwei Formen von DS-Neuronen mit entgegengesetzten Vorzugsrichtungen der Nervenimpulse unterschieden werden. Zur Überraschung der Wissenschaftler fanden sich die Dendriten der beiden Zelltypen in verschiedenen Schichten des Tektums.

In weiteren Experimenten konnten die Wissenschaftler zeigen, dass auch die von der Retina ausgehenden richtungsempfindlichen Signale der Projektionsneuronen schichtspezifisch im Tektum eintreffen. Unterschiedliche Bewegungsrichtungen werden in unterschiedlichen Schichten repräsentiert. Erstmals konnte damit die räumliche Anordnung der für das Bewegungssehen verantwortlichen Schaltkreise im Gehirn nachgewiesen werden. Wie Bollmann hervorhob, sind diese wichtigen neuen Erkenntnisse nicht zuletzt den für derartige Untersuchungen besonders günstigen Eigenschaften der Zebrafischlarve zu verdanken: ihrer Durchsichtigkeit und Kompaktheit, der genetischen Zugänglichkeit und der auf das optische Erkennen ihrer Beute ausgerichteten Motorik der kleinen Jäger.

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