Optogenetik – Lichtschalter im Gehirn steuern Nerven

Nobelpreis in Medizin vergeben

Wie „Lichtschalter“ im Gehirn unsere Nerven steuern können

Der diesjährige Medizin-Nobelpreis geht an drei Forscher, die das Gehirn buchstäblich näher beleuchten. Ihre Arbeit ermöglicht es zu untersuchen, wie Nervenzellen Erinnerungen, Gefühle und Verhalten beeinflussen.

Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2026 geht an Karl Deisseroth (Stanford University in den USA), Peter Hegemann (Humboldt-Universität zu Berlin) und Georg Nagel (Universität Würzburg). Ausgezeichnet werden sie „für ihre Entdeckungen zu lichtgesteuerten Ionenkanälen und Optogenetik“. Dahinter steckt eine Methode, mit der sich die Aktivität von Nervenzellen gezielt an- und ausschalten lässt – nur mithilfe von Licht. Laut dem Nobelpreis-Komitee hat sich mit diesem Werkzeug das Verständnis des Gehirns grundlegend verändert.

Die Grundlage legte eine einfache Beobachtung: Die einzellige Grünalge Chlamydomonas kann gezielt zum Licht schwimmen. Der Neurowissenschaftler Hegemann wollte verstehen, wie das möglich ist. In der Alge entdeckten er und der Neurobiologe Nagel Anfang der 2000er-Jahre ein besonderes Eiweiß: Channelrhodopsin. In der Zellmembran bildet das Protein einen lichtgesteuerten Ionenkanal. Wird es von Licht einer passenden Wellenlänge angeregt, öffnet sich der Kanal; Ionen strömen durch die Membran, und es entsteht ein elektrischer Impuls – genau das Prinzip, mit dem auch Nervenzellen arbeiten.

Hegemann und Nagel zeigten zunächst, dass Channelrhodopsin viele verschiedene Zelltypen lichtempfindlich machen kann. Sie brachten das Gen für das Protein etwa in Frosch-Eizellen und Nierenzellen ein. Die Zellen, die das Protein bildeten, reagierten plötzlich auf Licht. Ein kurzer Lichtimpuls reichte, um einen elektrischen Impuls auszulösen.

Damit war klar: Das Algenprotein wirkt wie ein extrem schneller, lichtgesteuerter Ionenkanal. Ein Ionenkanal ist ein winziger Durchgang in der Zellmembran, durch den geladene Teilchen hinein- oder hinausfließen. Viele Ionenkanäle reagieren auf elektrische Spannungen oder chemische Botenstoffe. Channelrhodopsin reagiert sehr schnell auf Licht; damit ließ sich die Aktivität von Nervenzellen im Millisekundenbereich steuern.

Der Psychiater, Neurobiologe und Bioingenieur Karl Deisseroth erkannte, was dieses Prinzip für die Hirnforschung bedeuten könnte. Aus seiner Arbeit mit Patienten, die unter schweren Depressionen, Angststörungen oder Schizophrenie litten, wusste er, wie wenig über die genauen Ursachen im Gehirn bekannt war. Um neue Therapien zu entwickeln, wollte er verstehen, welche Nervenzellen bestimmte Gefühle oder Verhaltensweisen auslösen.

Deisseroth nutzte das Gen für Channelrhodopsin-2 in seinem Labor und brachte es in die Nervenzellen von Ratten ein. Die Zellen überstanden den Eingriff und bildeten das Algenprotein. Als das Team die Nervenzellen mit blauem Licht beleuchtete, lösten sie sofort ein Nervensignal aus. 2005 veröffentlichte Deisseroth gemeinsam mit Kollegen den entscheidenden Nachweis. Zwei Jahre später konnte er den „Lichtschalter“ erstmals im Gehirn lebender Mäuse einsetzen und aktivieren, indem mit dünnen Glasfasern gezielt Licht an die entsprechenden Hirnbereiche geleitet wurde.

• Oft übersehen: Diese Veränderung in der Stimme kann auf Demenz hinweisen
• Erstaunliche Entdeckung: Unser Gehirn hat offenbar zwei Ursprünge

In Mäusen konnten Forscher dadurch Netzwerke von Nervenzellen identifizieren, die an einer Erinnerung beteiligt waren. In einem Experiment konditionierten sie die Tiere auf eine angstauslösende Situation ein und markierten dabei die beteiligten Zellen. Später aktivierten sie genau diese Zellen erneut mit Licht. Daraufhin zeigten die Mäuse Angstverhalten, obwohl keine Gefahr bestand. Das zeigte erstmals, dass die Aktivierung eines spezifischen Netzwerks aus Nervenzellen ausreichte, um die Verhaltensäußerung einer bestimmten Erinnerung auszulösen.