Neuer Protein-Sensor ermöglicht die Echtzeit-Visualisierung eingehender Hirnsignale

Wissenschaftler des Allen Institute und des Janelia Research Campus des HHMI haben einen hochspezialisierten Protein-Sensor entwickelt, der eingehende chemische Signale von Neuronen registrieren kann. Dieser Durchbruch stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der neuronalen Aktivität dar. Der molekulare Glutamat-Indikator, intern als iGluSnFR4 bezeichnet, wurde konzipiert, um die Freisetzung von Glutamat – dem primären erregenden Neurotransmitter im zentralen Nervensystem – präzise zu erfassen. Die detaillierten Ergebnisse dieser Forschung wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Methods veröffentlicht, wobei das GENIE-Projektteam maßgeblich beteiligt war.

Das entscheidende Merkmal dieses neuartigen Sensors liegt in seiner bemerkenswerten Sensitivität. Er ist in der Lage, Glutamat bis zur Ebene einer einzelnen synaptischen Vesikel zu detektieren. Das bedeutet, er kann die Freisetzung einzelner Portionen von Neurotransmitter-Molekülen registrieren. Die leitenden Autoren dieser Studie sind Dr. Kaspar Podgorski, Senior Fellow am Allen Institute, und Dr. Jeremy Hasseman vom Janelia Research Campus. Dr. Podgorski betonte, dass Forscher zuvor lediglich die ausgehenden elektrischen Impulse verfolgen konnten, was das Verständnis der Gehirnprozesse stark einschränkte. Dieses neue Werkzeug durchbricht diese Barriere, indem es die direkte Überwachung ermöglicht, wie Neuronen Informationen empfangen. Dies ist von fundamentaler Bedeutung für die Entschlüsselung der Eingangsmuster, welche Gedächtnisbildung und kognitive Funktionen steuern.

Der iGluSnFR4-Sensor wird in zwei unterschiedlichen Varianten bereitgestellt: iGluSnFR4f, gekennzeichnet durch eine schnelle Deaktivierung, eignet sich ideal zur Verfolgung schneller synaptischer Dynamiken. Demgegenüber steht iGluSnFR4s mit langsamer Deaktivierung, welches die Aktivität größerer Synapsenpopulationen registrieren kann. Für die Entwicklung dieser Werkzeuge wurden über tausend verschiedene Varianten gescreent. Die abschließenden Tests erfolgten mittels Zwei-Photonen-Mikroskopie in verschiedenen Hirnregionen, unter anderem im visuellen Kortex von Mäusen.

Diese Errungenschaft eröffnet bahnbrechende Perspektiven für die Erforschung neurodegenerativer und psychiatrischer Erkrankungen. Eine gestörte Glutamtsignalübertragung wird nämlich mit Pathologien wie Alzheimer, Schizophrenie, Autismus und Epilepsie in Verbindung gebracht. Eine präzisere Nachverfolgung dieser Signale könnte die Ursachenforschung beschleunigen und die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze vorantreiben. Pharmaunternehmen erhalten dadurch die Möglichkeit, die Wirkung experimenteller Medikamente auf die synaptische Aktivität in Echtzeit zu überprüfen. Gemäß den Prinzipien der offenen Wissenschaft wird der iGluSnFR4-Sensor der Forschungsgemeinschaft über das gemeinnützige Repository Addgene zur Verfügung gestellt. Dies fördert die rasche Integration in fortschrittliche Methoden wie die Neuropixels-Elektrophysiologie.

Die Fähigkeit, die chemischen Botenstoffe des Gehirns direkt und mit solch hoher Auflösung zu beobachten, ist ein Meilenstein, der die Art und Weise, wie wir die Kommunikation zwischen Nervenzellen verstehen, grundlegend verändern wird. Es ist ein wichtiger Schritt, um die Komplexität der neuronalen Schaltkreise besser zu entschlüsseln, die unseren Gedanken und unserem Verhalten zugrunde liegen.