Die Sonogenetik ist ein Verfahren, dass aktuell von Wissenschaftlern getestet wird. Dabei gelang es ihnen, das Verhalten von Fadenwürmern zu verändern, indem Gehirnzellen mit Hilfe von Ultraschallwellen aktiviert wurden.

Der Versuchsaufbau

Für das Experiment wurden die Fadenwürmer der Art Caenorhabditis elegans verwendet. Die verwendeten Fadenwürmer sind von einer Art, die gerne als Modellorganismus in der Neurologie verwendet wird. Grund dafür ist ihr simples Nervensystem.

Die Forscher um Sreekanth Chalasani vom Salk Institute of Biological Studies aus Kalifornien entwickelten ein neues Verfahren, um zu testen, ob sie Ultraschallwellen einsetzen können, um einzelne Hirnzellen zu aktivieren. Dafür wurden die Tiere in eine Petrischale gelegt, die zum Teil im Wasser lag. Die Würmer wurden zudem mit gasgefüllten Bläschen umgeben. Diese sorgten dafür, dass sie für die Ultraschallwellen empfindlicher werden, was den Effekt weiter verstärkt.

Anschließend schickten die Forscher einen kurzen Ultraschallimpuls mit niedriger Schallintensität aus. In ihren Experimenten konnten sie zeigen, dass sie mit Hilfe der Sonogenetik Einfluss auf das Verhalten der Tiere nehmen können: Die Würmer wechselten plötzlich ihre Bewegungsrichtung.

Funktionsweise des Verfahrens

Im nächsten Schritt befasste sich das Team mit der Frage, wie genau das Verfahren funktioniert. Dabei kamen sie auf spezielle Ionenkanäle, die an der Membran der Fadenwürmer liegen. Offenbar sitzen diese Kanäle nur auf manchen Nervenzellen und werden TRP-4-Kanäle genannt. Ihre Besonderheit ist die hohe Dehnungsempfindlichkeit. Ultraschallwellen bringen die Kanäle dazu, sich sofort zu öffnen, worauf die Zellen reagieren.

Die Wissenschaftler gingen einen Schritt weiter: Sie wendeten gentechnische Verfahren an, um die TRP-4-Kanäle auch in anderen Neuronen ausbilden zu können. Das zeigte Wirkung, je nach Stimulierung der unterschiedlichen Arten der Neuronen nahm die Wahrscheinlichkeit der spontanen Änderungsrichtung der Würmer stark zu oder ab.

Problem der Sonogenetik

Der Einsatz von Ultraschallwellen in der Hirnforschung ist schwierig, da die gezielte Stimulation nicht funktioniert. Schon beim Menschen wurden Ultraschallwellen für Experimente angewendet, jedoch konnten nur größere Bereiche des Gehirns angeregt werden, keine gezielten Neuronen. Ultraschallwellen können nur schwer fokussiert werden.

Die Ionenkanäle des Fadenwurms dagegen sind sensitiv und sein Nervensystem überschaubar. Die Wissenschaftler möchten nun herausfinden, ob das Verfahren auch erfolgreich an Mäusen angewendet werden kann. Mäuse besitzen keine natürlichen TRP-4-Kanäle, weshalb unklar ist, ob der Versuch gelingen wird.

Ein anderes Problem ist das fremde Genmaterial, dass erst in die Hirnzellen der Tiere eingeschleust werden muss. Möchte man die Sonogenetik langfristig bei anderen Tieren und vielleicht dem Menschen einsetzen, kommen auch ethische Fragen auf. Anders sieht es aus, falls zusätzliche Arten von Kanälen gefunden werden, die die Genmanipulation überflüssig machen würden. Möglicherweise befinden sich in Säugetierhirnen eigene Kanäle, die ebenfalls auf Ultraschallwellen reagieren.

Vergleich: Sonogenetik und Optogenetik

Die Optogenetik basiert nicht auf Ultraschallwellen, sondern auf Licht. Zellen werden mit Hilfe von Licht gesteuert, indem Forscher ein Glasfaserkabel in das Gehirn eines Versuchstieres implantieren. Anschließend wird das Licht angeschaltet, es folgt eine schlagartige Feuerung der fokussierten Neuronen. Im Gegensatz zur Sonogenetik ist eine sehr hohe Präzision der ausgewählten Neuronen möglich.

Trotzdem könnte langfristig auch die Sonogenetik Vorteile bieten: Das Verfahren ist, anders als die Optogenetik, nicht invasiv. Die Ultraschallwellen können von außen den Schädel durchdringen, ohne dass ein Gerät in die Schädeldecke eingesetzt werden muss.

Wissenschaftler spekulieren, ob die Bläschen in die Blutbahn injiziert werden könnten, um eine Art Kontrastmittel zu verwenden. Ebenfalls wichtig ist die Ungefährlichkeit von Ultraschall. Diese Wellen werden schon seit langer Zeit in der Medizin eingesetzt, wie beispielsweise bei der Sonografie.

 

 

Danke an tiburi von Pixabay für das Foto.

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