Das könnte sich bald ändern. Wie Stanford-Forscher am 12. Dezember in Light: Science and Applications“ berichten, haben sie eine Methode entwickelt, um Gehirnzellen dabei zu beobachten, wie sie elektrische Signale aussenden, und zwar nur mit Hilfe von Licht, einigen Linsen und anderen optischen Elementen sowie einer schnellen Videokamera.

Der Schlüssel zu diesem neuen Ansatz, so Daniel Palanker, Professor für Augenheilkunde und Hauptautor der neuen Veröffentlichung, liegt darin, dass Neuronen, wenn sie elektrische Signale abfeuern, ihre Form subtil verändern. Diese Veränderungen im Nanometerbereich können mit optischen Verfahren gemessen werden.

Bislang haben Palanker, Tong Ling, ein Postdoktorand und Hauptautor der neuen Arbeit, und Kollegen diese winzigen Formveränderungen in Netzwerken von neuronenähnlichen Zellen in einer Laborschale gemessen. Jetzt passen sie ihre Methoden an, um Neuronen in den Gehirnen lebender Tiere zu untersuchen. Wenn das klappt, könnte dies zu einer natürlicheren Methode führen, um zumindest einige Teile des Gehirns zu untersuchen.

„Es ist alles natürlich, keine chemischen Marker, keine Elektroden, nichts. Es sind einfach nur Zellen, wie sie sind“, sagte Palanker, der Mitglied von Stanford Bio-X und des Wu Tsai Neurosciences Institute ist.

Die Form der Dinge

Eine Menge passiert, wenn Neuronen feuern. Da ist natürlich das elektrische Signal selbst, das von Elektroden aufgefangen werden kann. Es gibt auch chemische Veränderungen, die mit fluoreszierenden Molekülen nachgewiesen werden können, die aufleuchten, wenn ein Neuron feuert.

Und dann ist da noch die Form. Forscher erkannten erstmals, dass Neuronen ihre Form verändern, als sie vor mehr als 40 Jahren Neuronen von Flusskrebsen untersuchten. Im Jahr 1977 ließ ein Team von Forschern aus Stanford und der UCSF einen Laser auf ein Krebsneuron prallen, während es feuerte, und zeigte, dass sich seine Breite etwa um die Dicke eines menschlichen DNA-Strangs veränderte.

Doch die Umsetzung dieser Ergebnisse in eine Methode zur optischen Beobachtung von Neuronen, die in menschlichen oder anderen Säugetiergehirnen feuern, war mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Zum einen sind die Neuronen von Flusskrebsen 10 bis 100 Mal dicker als die von Säugetieren. Zum anderen kann die von der ursprünglichen Gruppe verwendete Technik – eine einfache Form der so genannten Interferometrie – nur Veränderungen an einem einzigen Punkt gleichzeitig messen, was bedeutet, dass damit nur ein kleiner Bereich einer Zelle auf einmal untersucht werden kann, anstatt die ganze Zelle oder sogar ein Netzwerk von Neuronen, die im Gehirn miteinander kommunizieren, abzubilden.

Neues Licht auf das Feuern von Neuronen werfen

Um einige dieser Probleme zu lösen, wandten sich Ling, Palanker und Kollegen zunächst einer Variante der Standardinterferometrie zu, der so genannten quantitativen Phasenmikroskopie, die es den Forschern ermöglicht, ganze mikroskopische Landschaften abzubilden – zum Beispiel die Landschaft eines Netzwerks von Zellen, die auf einer Glasplatte angeordnet sind. Die Technik ist so einfach, dass es genügt, diese Zellen mit Laserlicht zu bestrahlen, es durch einige Linsen, Filter und andere optische Elemente und Filter zu leiten und das Ergebnis mit einer Kamera aufzunehmen. Dieses Bild kann dann verarbeitet werden, um eine topografische Karte der Zellen zu erstellen.

Ling, Palanker und das Team kamen zu dem Schluss, dass sie die Technik nutzen könnten, um zu messen, wie sehr Neuronen ihre Form verändern, wenn sie feuern. Um die Idee zu testen, züchteten sie ein Netzwerk neuronenähnlicher Zellen auf einer Glasplatte und zeichneten mit einer Videokamera auf, was passierte, wenn die Zellen – eigentlich Zellen aus der Niere, die so verändert wurden, dass sie sich eher wie Neuronen verhalten – feuerten. Durch die Synchronisierung des Videos mit den elektrischen Aufzeichnungen und die Mittelwertbildung über mehrere tausend Beispiele erstellte das Team eine Schablone, die beschreibt, wie sich die Zellen bewegen, wenn sie feuern: Innerhalb von etwa vier Millisekunden nimmt die Dicke der Zelle um etwa drei Nanometer zu, was einer Veränderung von etwa einem Hundertstel eines Prozents entspricht. Sobald die maximale Dicke erreicht ist, braucht die Zelle etwa eine weitere Zehntelsekunde, um wieder zu schrumpfen.

Gehirnzellen bei der Arbeit beobachten

In der ersten Phase des Experiments benötigte das Team Elektroden, um herauszufinden, wann die Zellen feuerten. In der zweiten Phase zeigten die Teammitglieder, dass sie ihre Schablone verwenden können, um das Feuern von Zellen zu suchen und zu identifizieren, ohne auf Elektroden angewiesen zu sein.

Doch es gibt noch eine Reihe von Schritten, die das Team unternehmen muss, bevor die Methode in echten Gehirnen funktionieren kann. Zunächst muss das Team die Technik in echten Neuronen anwenden, im Gegensatz zu den neuronenähnlichen Zellen, die sie bisher untersucht haben. „Neuronen sind empfindlicher“, sagte Palanker, aber das Team hat bereits damit begonnen, mit ihnen zu experimentieren.

Eine zweite Herausforderung besteht darin, dass Neuronen in echten Gehirnen nicht in einer einzigen Schicht auf einer Glasplatte angeordnet sind, wie es bei den von Palankers Labor untersuchten Zellen der Fall war. Insbesondere kann das Team nicht mit einem Laser durch das Gehirn strahlen und erwarten, dass auf der anderen Seite etwas herauskommt, geschweige denn nützliche Daten. Glücklicherweise, so Palanker, funktionieren die Techniken, die sie mit durchgelassenem Licht verwendet haben, ähnlich bei reflektiertem Licht, und die meisten Neuronen reflektieren genug Licht, so dass der Ansatz theoretisch funktionieren sollte.

Es gibt eine Einschränkung, die das Team wahrscheinlich nicht umgehen kann – da das Licht nicht tief in das Gehirn eindringt, wird die neue Methode nur die äußeren Schichten untersuchen können. Für Projekte, bei denen nur diese Schichten untersucht werden müssen, könnte die Technik den Forschern jedoch eine sauberere, einfachere Methode zur Untersuchung des Gehirns bieten.

„Normalerweise beeinflussen invasive Methoden das, was die Zellen tun, wodurch die Messungen weniger zuverlässig werden“, sagte Palanker. „Hier tut man den Zellen nichts an. Im Grunde beobachtet man nur, wie sie sich bewegen.“