Martin Mannheimer
Nobelpreis für Durchbruch in der Hirnforschung
Die deutsche Hirnforschung steht im Mittelpunkt der diesjährigen Vergabe des Nobelpreises für Medizin. Die Wissenschaftler Peter Hegemann und Georg Nagel erhalten die renommierte Auszeichnung gemeinsam mit dem US-Forscher Karl Deisseroth. Gewürdigt werden ihre grundlegenden Arbeiten zu lichtgesteuerten Ionenkanälen und der daraus entstandenen Methode der Optogenetik.
Das Verfahren ermöglicht es, die Aktivität bestimmter Nervenzellen mithilfe von Licht gezielt zu steuern. Was zunächst aus der Untersuchung einer einzelligen Grünalge hervorging, hat sich zu einem bedeutenden Instrument der modernen Neurowissenschaft entwickelt.
Die Entdeckungen haben den Blick darauf verändert, wie Nervenzellen funktionieren und wie einzelne Zellgruppen innerhalb komplexer Netzwerke miteinander zusammenwirken.
Vom Algenprotein zur Nobelpreis-Technologie
Die entscheidenden Forschungsarbeiten von Hegemann und Nagel liegen rund zwei Jahrzehnte zurück. Beide Wissenschaftler beschäftigten sich zunächst mit einer scheinbar einfachen biologischen Frage: Wie kann eine einzellige Grünalge Licht wahrnehmen und ihre Bewegungsrichtung entsprechend verändern?
Bei ihren Untersuchungen stießen sie auf sogenannte Kanalrhodopsine. Diese Proteine reagieren auf Licht und öffnen daraufhin Kanäle in der Zellmembran. Elektrisch geladene Teilchen können dadurch in die Zelle hinein- oder aus ihr herausströmen. Die elektrische Spannung der Zelle verändert sich.
Besonders wichtig war die Erkenntnis, dass dieser Mechanismus nicht auf Algen beschränkt bleiben musste. Die genetische Bauanleitung für die lichtempfindlichen Proteine konnte in andere Zellen eingebracht werden. Dadurch ließen sich auch diese Zellen gezielt lichtempfindlich machen.
Ein besonders geeignetes Protein war Kanalrhodopsin-2, das sehr schnell auf Licht reagiert.
Deisseroth überträgt das Prinzip auf Nervenzellen
Der US-Forscher Karl Deisseroth und sein Team gingen den entscheidenden nächsten Schritt. Sie übertrugen das Prinzip der lichtgesteuerten Proteine auf Nervenzellen.
In einer Untersuchung aus dem Jahr 2005 konnten sie zeigen, dass sich mit dieser Methode Nervensignale innerhalb von Millisekunden auslösen lassen. Nervenzellen wurden durch eine genetische Veränderung lichtempfindlich gemacht und anschließend durch gezielte Beleuchtung aktiviert.
Aus der Verbindung von Genetik und Lichtsteuerung entwickelte sich die Optogenetik.
Die Methode ermöglicht einen Eingriff, der für die Hirnforschung besonders wertvoll ist: Nicht das gesamte Nervensystem wird gleichzeitig beeinflusst. Stattdessen können Forscher bestimmte Zellen oder Zellgruppen gezielt ansteuern.
Das Gehirn lässt sich gezielter untersuchen
Die Bedeutung dieser Technik liegt vor allem darin, dass Wissenschaftler Ursache und Wirkung wesentlich genauer untersuchen können. Wird eine bestimmte Gruppe von Nervenzellen aktiviert und verändert sich daraufhin das Verhalten eines Tieres, lässt sich besser nachvollziehen, welche Funktion diese Zellen innerhalb eines neuronalen Netzwerks besitzen.
Umgekehrt können bestimmte Nervenzellen auch gezielt in ihrer Aktivität gebremst werden.
Bereits 2007 gelang es Deisseroth, das Verfahren im Gehirn lebender Mäuse einzusetzen. Seitdem wurde die Technik weiterentwickelt. Heute stehen verschiedene lichtempfindliche Proteine zur Verfügung, die Nervenzellen entweder aktivieren oder hemmen können.
Damit wurde ein Werkzeug geschaffen, mit dem sich komplexe Vorgänge im Gehirn wesentlich präziser untersuchen lassen.
Experimente liefern neue Hinweise auf Krankheiten
Die Optogenetik wird nicht nur eingesetzt, um grundlegende Funktionen des Gehirns zu erforschen. Sie kann auch helfen, die biologischen Mechanismen neurologischer und psychischer Erkrankungen besser zu verstehen.
Forscher konnten beispielsweise bei Mäusen bestimmte Nervenzellgruppen gezielt beeinflussen und dadurch depressionsähnliche Symptome verstärken oder abschwächen.
Solche Ergebnisse sind für die medizinische Forschung interessant, müssen jedoch klar eingeordnet werden. Erkenntnisse aus Tierversuchen bedeuten nicht automatisch, dass eine entsprechende Behandlung beim Menschen wirksam ist.
Die Optogenetik dient deshalb zunächst vor allem dazu, die zugrunde liegenden biologischen Prozesse genauer zu entschlüsseln.
Ein wichtiger Schritt gegen Erblindung
Besonders spektakulär ist eine Anwendung, die über reine Grundlagenforschung hinausgeht. Im Jahr 2021 berichteten Wissenschaftler über einen Patienten mit Retinitis pigmentosa, einer schweren Erkrankung der Netzhaut, die zur Erblindung führen kann.
Nach einer optogenetischen Behandlung war der Patient wieder in der Lage, bestimmte Gegenstände wahrzunehmen, zu lokalisieren und zu zählen.
Dafür wurde die genetische Bauanleitung eines lichtempfindlichen Proteins in bestimmte Zellen der Netzhaut eingebracht. Die behandelten Zellen konnten anschließend auf Licht reagieren.
Die Behandlung allein reichte allerdings nicht aus. Der Patient musste zusätzlich eine Spezialbrille tragen. Diese registrierte Veränderungen der Lichtintensität in seiner Umgebung und wandelte sie in Lichtimpulse um, die auf die behandelten Netzhautzellen übertragen wurden.
Sehfähigkeit teilweise zurückgewonnen
Die Ergebnisse waren bemerkenswert, bedeuteten jedoch keine vollständige Wiederherstellung des normalen Sehvermögens. Ohne die Spezialbrille konnte der Patient die Gegenstände auch nach der Behandlung nicht erkennen.
Die Untersuchung dokumentierte somit eine teilweise Wiederherstellung visueller Funktionen, nicht aber eine Rückkehr zum ursprünglichen Sehvermögen.
Gerade diese Einschränkung zeigt zugleich, wie weit die Forschung bereits vorangekommen ist und welche Herausforderungen noch bestehen. Aus einem grundlegenden Verständnis lichtempfindlicher Proteine ist innerhalb weniger Jahrzehnte eine Technologie entstanden, die inzwischen auch beim Menschen erprobt wird.
Drei Forscher teilen sich das Preisgeld
Für ihre wissenschaftlichen Leistungen erhalten Peter Hegemann, Georg Nagel und Karl Deisseroth gemeinsam den Medizin-Nobelpreis. Hegemann forscht an der Humboldt-Universität zu Berlin, Nagel an der Universität Würzburg und Deisseroth an der Stanford-Universität in Kalifornien.
Das Preisgeld beträgt insgesamt 12 Millionen schwedische Kronen, was ungefähr 1 Million Euro entspricht. Die drei Wissenschaftler teilen sich die Summe.
Die feierliche Verleihung des Nobelpreises ist für den 10. Dezember vorgesehen.
