Wie steuert ein Fisch seine Schwimmrichtung? Welche neuronalen Schaltkreise verarbeiten Umweltinformationen und steuern das Verhalten? Der Zebrabärbling (Danio rerio), auch Zebrafisch genannt, hat sich als exzellentes Modell für diese Fragen etabliert. Als Wirbeltier mit einem dem Menschen ähnlichen Gehirnaufbau bietet er den Vorteil eines kleineren und genetisch manipulierbaren Nervensystems. Transparente Zebrafischlarven ermöglichen zudem den optischen Zugang zum Gehirn und den Einsatz neuer optischer Methoden der Hirnforschung.
Optogenetik und Kalzium-Imaging: Revolutionäre Methoden
Die Optogenetik, ein relativ junges Fachgebiet, nutzt Licht, um genetisch veränderte Hirnareale zu beeinflussen. Dabei werden genetisch kodierte Ionenkanäle, wie Channelrhodopsin aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, in die Nervenzellen eingebracht. Durch Bestrahlung mit blauem Licht öffnen sich diese Kanäle und aktivieren die Nervenzelle.
Ergänzend zur Optogenetik dient das Kalzium-Imaging der Aktivitätsmessung von Zellen. Durch genetische Modifikation produzieren die Zellen einen Kalziumsensor, ein fluoreszierendes Protein, dessen Leuchtstärke von der Kalziumkonzentration der Zelle abhängt. Diese Schlüsselmethoden haben die Neurobiologie revolutioniert, da sie die Manipulation und Abbildung von Nervenzellfunktionen am lebenden Tier und oft ohne Operationen ermöglichen.
Dezentrale Organisation vs. modulare Bauweise des Gehirns
Neurobiologen erforschen, wie neuronale Netzwerke tierisches und menschliches Verhalten steuern. Eine zentrale Frage ist, ob das Gehirn dezentral organisiert ist, wobei das globale Zusammenspiel vieler Neuronen ein bestimmtes Verhaltensmuster erzeugt, oder ob es modular aufgebaut ist, wobei einzelne Bereiche spezifische Kernkompetenzen besitzen, die zu Verhaltensweisen beitragen.
Die Retikulärformation im Gehirn von Zebrafischlarven stellt ein optimales Untersuchungsobjekt dar, um diese Frage zu beantworten. Ihre Nervenzellen stehen in direktem Kontakt zu Motorneuronen im Rückenmark und können so die Schwanzbewegung beeinflussen. Die absteigende Retikulärformation bildet eine Steuerungszentrale für die Schwanzbewegungen.
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Die Rolle des Nucleus medialis longitudinalis (nMLF)
Wissenschaftler nutzten transgene Fische, in denen eine kleine Anzahl von Nervenzellen der Retikulärformation markiert ist, darunter mehr als 80 Prozent der Zellen des nMLF. Der nMLF erhält Informationen von visuellen Gehirnarealen und kontaktiert motorische Nervennetzwerke entlang des Rückenmarks.
Um die Funktion der nMLF-Neurone zu bestimmen, beobachteten die Forscher die neuronale Aktivität im sich bewegenden Fisch. Fünf Tage alte Larven mit einem Kalziumsensor in den markierten Nervenzellen wurden am Kopf fixiert, während sich der Schwanz frei bewegen konnte. Die Experimente zeigten, dass viele nMLF-Zellen bei jeder Bewegung aktiv sind.
Gezielte Aktivierung von Neuronen mit Channelrhodopsin
Um die Rolle der Nervenzellen zu untersuchen, aktivierten die Forscher die Zellen gezielt mit blauem Licht über Channelrhodopsin und maßen die Verhaltensänderung. Erneut wurde der Fisch am Kopf fixiert und Nervenzellen mittels einer feinen Lichtfaser angesteuert. Die Stimulation der Neurone erzeugte verschiedene Bewegungsmuster, jedoch zeigten die Fische durchgehend eine starre Auslenkung des Schwanzes um bis zu 15°. Durch Verschieben der Lichtfaser zwischen den beiden symmetrischen Kernen des nMLF folgte der Schwanz der Position der Lichtfaser.
Um die aktivierten Neurone zu identifizieren, wurde das fluoreszierende Protein Kaede in die Zellen eingebracht, das mit UV-Licht von grün in rot umgewandelt werden kann. So konnten die aktivierten Neurone genauestens lokalisiert werden.
Laserablationsexperimente enthüllen die Funktion des nMLF
Mittels Laserablation wurden einzelne Neurone entfernt. Nach Entfernung der nMLF-Neurone auf einer Seite des Fisches konnten prinzipiell alle Bewegungen normal ausgeführt werden. Versuchte der Fisch jedoch nach vorne zu schwimmen, wurde die Vorwärtsbewegung zur Seite verschoben. Der Schwanz schlug vor allem in die Richtung der intakten Seite.
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Diese Ergebnisse zeigten, dass die nMLF-Neurone nicht der multifunktionalen Kontrolle von gesamten Bewegungsabläufen dienen, sondern in erster Linie die Haltung des Schwanzes während einer Schwimmbewegung steuern. Der nMLF scheint ein spezialisiertes Modul in dem dezentralisierten Kontrollsystem des Schwimmapparats zu sein.
Analogie zum Motorboot
Ähnlich wie bei einem Motorboot, werden der Antrieb und die Steuerung von verschiedenen Komponenten übernommen. Der Bootsmotor bestimmt die Geschwindigkeit, während die Steuerpinne das Boot lenkt. Im Gehirn werden die Aufgaben sehr ähnlich verteilt. Frühere Arbeiten haben eine kleine Region im kaudalen Hinterhirn entdeckt, die wie der Motor wirkt und den Fisch vorantreibt. Der nMLF hingegen steuert die Schwimmrichtung.
Zebrafische als Modell für Neuroregeneration
Bei der Alzheimer-Erkrankung schwinden Nervenverbindungen und Nervenzellen sterben ab. Zebrafische haben jedoch bessere Fähigkeiten, neuronalen Verletzungen entgegenzuwirken. Forschende des DZNE Dresden untersuchen Zebrafische, da diese unter experimentellen Bedingungen ein Alzheimer-ähnliches Krankheitsbild entwickeln können und als Gegenreaktion auf die neuronalen Schäden neue Nervenzellen bilden (Neurogenese). Stammzellen spielen dabei eine entscheidende Rolle.
Die Studie stützt sich auf aufwändige Methoden wie Einzelzell-Transkriptomsequenzierung und maschinelles Lernen. Die Forscher fanden heraus, dass der Organismus des Zebrafisches die Produktion von Serotonin unter Alzheimer-ähnlichen Bedingungen senken kann, um die Aktivität neuraler Stammzellen zu erhöhen und damit die Bildung neuer Nervenzellen zu fördern. Diese spezielle Kopplung zwischen Immun- und Nervenzellen scheint eine Besonderheit des Zebrafisches zu sein.
FISH-Methode zur Visualisierung viraler Nukleinsäuren im ZNS
Die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) ist eine Methode zur Visualisierung viraler Nukleinsäuren in verschiedenen Gewebeproben. Sie ermöglicht den Nachweis von RNS- und DNS-Viren im zentralen Nervensystem (ZNS). Beispielsweise konnte mit FISH MERS-CoV im entkalkten Nasengewebe eines Kamels nachgewiesen werden. FISH kann auch zur Unterscheidung verschiedener Virusarten eingesetzt werden.
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Die Sensitivität der FISH-Methode variiert und kann durch die Verwendung von RNS-Sonden-Mixen erhöht werden. Die Methode ist relativ kostengünstig, jedoch können die Bestellzeiten für RNS-Sonden lang sein. FISH stellt ein nützliches Werkzeug zur Entdeckung neuartiger Viren dar.
FISH-Analyse in der Diagnostik der chronischen Eosinophilenleukämie (CEL)
Bei der Diagnostik der CEL wird die FISH-Analyse beispielsweise zum Ausschluss des Vorliegens einer myeloischen/lymphatischen Neoplasie mit Tyrosinkinase-Fusion (MLN-TK), also spezifischer Rearrangements von PDGFRA, PDGFRB, JAK2 und FGFR1, genutzt. Aufgrund der hohen Anzahl von Partnergenen eignet sich die FISH-Analyse zum Ausschluss dieser Rearrangements besser als die Molekulargenetik.
NTRK-Genfusionen bei Krebserkrankungen
Inhibitoren der Tropomyosin-Rezeptor-Kinasen (TRK) richten sich nach dem Nachweis der zugrunde liegenden molekularen Veränderung, der NTRK-Genfusion. TRK sind Rezeptortyrosinkinasen, die physiologisch vorwiegend im menschlichen Nervengewebe exprimiert werden. Die häufigste Ursache für eine onkogene TRK-Aktivierung ist das Vorliegen von NTRK-Genfusionen.
Die dauerhafte Aktivierung der TRK führt zur Aktivierung eines Signalnetzwerks, das u. a. MAP-Kinase, Proteinkinase C (PKC), die Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K) und AKT umfasst und zur Stimulation von Proliferation bzw. NTRK-Genfusionen oder TRK-Fusionsproteine sind starke onkogene Treiber bei unterschiedlichen Krebserkrankungen.
Zur Diagnostik von NTRK-Genfusionen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, darunter Immunhistochemie (IHC), FISH, RT-PCR und Next-Generation-Sequencing (NGS).
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