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Wassermoleküle verraten Geheimnisse der Neuronen
Forscherinnen und Forschern der EPFL ist es gelungen, die elektrische Aktivität der Neuronen durch einfache Analyse des Verhaltens der umliegenden Wassermoleküle zu beobachten. Ihre simple und nicht invasive Methode könnte die in der Regel genutzten Elektroden und Fluorophore ersetzen. Sie ermöglicht die Überwachung der Aktivität in einem einzigen Neuron und möglicherweise in einer gesamten Hirnregion.
Neuronen kommunizieren in unserem Gehirn, indem sie elektrochemische Signale entlang der Axone senden. Um ein Signal in Form einer elektrischen Entladung zu senden und zu kommunizieren, erlauben die Neuronen den Ionen, ihre Membran über Ionenkanäle zu durchqueren. Dieser Ionenaustausch verändert sehr schnell das elektrische Potenzial innerhalb und ausserhalb der Zelle. Dies wird als Membranpotenzial bezeichnet.
Dem Team des Labors für grundlegende Biophotonik (LBP) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie (STI) ist es gelungen, diese Potenzialveränderungen und den Ionenfluss durch eine Analyse des Verhaltens der Wassermoleküle im Umfeld der Neuronen zu beobachten. Die in der Fachzeitschrift Nature Communications vorgestellte Methode wurde erfolgreich in vitro an Neuronen von Mäusen getestet.
«Die Forscherinnen und Forscher des LBP schlagen hingegen vor, die elektrische Aktivität einfach durch die Beobachtung der Interaktionen zwischen den Wassermolekülen und der Neuronenmembran zu überwachen.»
Verzicht auf Elektroden und Fluorophore
Die elektrische Aktivität der Neuronen sagt viel über zahlreiche Vorgänge in unserem Gehirn aus. Sie erlaubt Aussagen darüber, ob ein Neuron aktiv oder im Ruhezustand ist oder ob es gut auf ein Medikament anspricht. Bisher erfolgte die Beobachtung der Neuronen mithilfe von Fluorophoren oder Elektroden an der zu überwachenden Stelle. Fluorophore sind allerdings toxisch, und Elektroden können die Neuronen schädigen.
Die Forscherinnen und Forscher des LBP schlagen hingegen vor, die elektrische Aktivität einfach durch die Beobachtung der Interaktionen zwischen den Wassermolekülen und der Neuronenmembran zu überwachen. «Die Neuronen sind von Wassermolekülen umgeben. Letztere ändern je nach elektrischer Ladung ihre Ausrichtung», erklärt LBP-Leiterin Sylvie Roke. «Wenn sich das Membranpotenzial verändert, wechseln einige Moleküle ihre Ausrichtung, und wir können das sehen.»
Die Forscherinnen und Forscher erzeugten für ihre Studie absichtlich Veränderungen im Membranpotenzial, indem sie die Neuronen einem hohen Zustrom an Kaliumionen aussetzten. Beim Kontakt öffneten sich die Ionenkanäle an der Oberfläche der Neuronen, die das Membranpotenzial ausgleichen sollen, um die Ionen hineinzulassen. Anschliessend stoppten die Wissenschaftler den Zufluss, worauf die Neuronen die vorher eingedrungenen Ionen wieder freigaben.
Um diese Aktivität zu beobachten, richten die Forscher zwei Laserstrahlen der gleichen Frequenz auf die Fettmembrane der im Wasser schwimmenden Neuronen. Die übereinandergelagerten Laserstrahlen bestehen aus Femtosekundenimpulsen, die dank einer durch den Physiknobelpreis 2018 ausgezeichneten Technologie erzeugt werden, damit die Wassermoleküle in der Nähe der Membran als Frequenzverdopplungslicht Fotonen mit doppelter Frequenz freisetzen.
«Wir denken, dass sich diese Arbeit sowohl auf die Grundlagen- als auch die angewandte Forschung auswirken wird. Sie kann uns helfen, die Mechanismen im Zusammenhang mit der Übertragung von Informationen im Gehirn zu verstehen, könnte aber auch die pharmazeutischen Unternehmen interessieren, die Produkte in vitro testen möchten», erklärt die Forscherin. «Wir haben auch gezeigt, dass wir ein einzelnes Neuron oder mehrere Neuronen gleichzeitig untersuchen können.»