Als sie dieses genetische Konstrukt in menschliche embryonale Nierenzellen einbrachten, die in Petrischalen wachsen, synthetisierten die Zellen das "Magneto"-Protein und bauten es in ihre Membran ein. Das Anlegen eines Magnetfeldes aktivierte das manipulierte TRPV1-Protein, was sich durch einen vorübergehenden Anstieg der Kalziumionenkonzentration in den Zellen zeigte, der mit einem Fluoreszenzmikroskop nachgewiesen wurde.
Als nächstes fügten die Forscher die Magneto-DNA-Sequenz in das Genom eines Virus ein, zusammen mit dem Gen, das für das grün fluoreszierende Protein kodiert, und regulatorischen DNA-Sequenzen, die bewirken, dass das Konstrukt nur in bestimmten Arten von Neuronen exprimiert wird. Dann injizierten sie das Virus in die Gehirne von Mäusen, wobei sie auf den entorhinalen Kortex abzielten, und sezierten die Gehirne der Tiere, um die Zellen zu identifizieren, die grüne Fluoreszenz ausstrahlten. Mit Hilfe von Mikroelektroden zeigten sie dann, dass das Anlegen eines Magnetfeldes an die Hirnschnitte Magneto aktiviert, so dass die Zellen Nervenimpulse erzeugen.
Um festzustellen, ob Magneto zur Manipulation der neuronalen Aktivität in lebenden Tieren verwendet werden kann, injizierten sie Magneto in Zebrafischlarven und zielten dabei auf Neuronen im Rumpf und Schwanz, die normalerweise eine Fluchtreaktion kontrollieren. Dann setzten sie die Zebrafisch-Larven in ein speziell gebautes, magnetisiertes Aquarium und fanden heraus, dass die Exposition gegenüber einem Magnetfeld ähnliche Einrollmanöver auslöste, wie sie bei der Fluchtreaktion auftreten. (An diesem Experiment waren insgesamt neun Zebrafisch-Larven beteiligt, und spätere Analysen ergaben, dass jede Larve etwa 5 Neuronen enthielt, die Magneto exprimierten).
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In einem letzten Experiment injizierten die Forscher Magneto in das Striatum von sich frei verhaltenden Mäusen, eine tiefe Hirnstruktur, die Dopamin-produzierende Neuronen enthält, die an Belohnung und Motivation beteiligt sind, und setzten die Tiere dann in eine Apparatur, die in magnetisierte und nicht-magnetisierte Abschnitte unterteilt war. Mäuse, die Magneto exprimierten, verbrachten viel mehr Zeit in den magnetisierten Bereichen als Mäuse, die es nicht taten, weil die Aktivierung des Proteins die striatalen Neuronen, die es exprimieren, veranlasste, Dopamin freizusetzen, so dass die Mäuse den Aufenthalt in diesen Bereichen als belohnend empfanden. Dies zeigt, dass Magneto das Feuern von Neuronen tief im Gehirn fernsteuern und auch komplexe Verhaltensweisen kontrollieren kann.
Der Neurowissenschaftler Steve Ramirez von der Harvard University, der Optogenetik einsetzt, um Erinnerungen im Gehirn von Mäusen zu manipulieren, sagt, die Studie sei "knallhart".
"Frühere Versuche [mit Magneten zur Kontrolle neuronaler Aktivität] benötigten mehrere Komponenten, damit das System funktioniert - die Injektion magnetischer Partikel, die Injektion eines Virus, der einen hitzeempfindlichen Kanal exprimiert, [oder] die Fixierung des Kopfes des Tieres, so dass eine Spule Änderungen im Magnetismus induzieren kann", erklärt er. "Das Problem mit einem Mehrkomponentensystem ist, dass es so viel Raum für jedes einzelne Teil gibt, um zusammenzubrechen."
"Dieses System ist ein einziges, elegantes Virus, das überall im Gehirn injiziert werden kann, was es technisch einfacher und unwahrscheinlicher macht, dass beweglicher Schnickschnack kaputt geht", fügt er hinzu, "und ihre Verhaltensausrüstung wurde geschickt so gestaltet, dass sie Magnete an den entsprechenden Stellen enthält, so dass sich die Tiere frei bewegen können."
Magnetogenetik' ist daher eine wichtige Ergänzung des Werkzeugkastens der Neurowissenschaftler, die zweifellos weiterentwickelt werden und den Forschern neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Gehirnentwicklung und -funktion bieten wird.
Referenz
Wheeler, M. A., et al. (2016). Genetisch gezielte magnetische Steuerung des Nervensystems. Nat. Neurosci, DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract]
