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Schmerz ist ein Schutzmechanismus, der uns mit einem unangenehmen Gefühl vor Gefahren warnt. Die Warnmeldung wird von spezialisierten sensorischen Neuronen, die mit anderen sensorischen und motorischen Neuronen in peripheren Nerven verflochten sind, an das Rückenmark weitergeleitet. Lässt sich eine Verletzung nicht vermeiden, kommt es zu einer Entzündung, die mit Rötung, Schwellung und Schmerzen verbunden ist. «Lange Zeit dachte man, dass Schmerz und Entzündung unterschiedliche Prozesse sind, die unabhängig voneinander entstehen. Ob die sensorischen Fasern, die den Schmerz auslösen, eine Entzündung auslösen können, wurde bisher noch nie gezeigt», sagt Frédéric Michoud, Postdoktorand an der EPFL. Eine solche neuroimmune Interaktion hätte, falls vorhanden, Auswirkungen auf zukünftige Behandlungen von Entzündungen. Die in Nature Biotechnology veröffentlichte Studie mit dieser neuen Neurotechnologie zeigt, dass dies der Fall ist.
Selektive Stimulation von sensorischen Neuronen mit Licht
Die Optogenetik ist eine Technik, die es erlaubt, genetisch ausgewählte Neuronen zu modulieren, indem Licht in neuronale Gewebe eingestrahlt wird. Obwohl die Optogenetik die Neurowissenschaften, die sich auf das Gehirn konzentrieren, revolutioniert hat, war ihre Anwendung auf Neuronen in peripheren Nerven schwierig. «Die Herausforderung bestand darin, einen technologischen Ansatz zu entwickeln, der es ermöglicht, die optische Stimulation/Beleuchtung über viele Tage hinweg wiederholt durchzuführen, ohne den Nerv zu schädigen und das Verhalten des Tieres zu beeinflussen», sagt Professor Clifford Woolf von der Harvard Medical School/Boston Children's Hospital.
Ein optoelektronisches Implantat um den Ischiasnerv
Forschende am Bertarelli-Stiftungslehrstuhl für Neuroprothetik haben ein weiches Implantat entwickelt, das sich um den Ischiasnerv legt und bei Bedarf blaue Lichtblitze abgibt. «In das biegsame Implantat haben wir mehrere Leuchtdioden integriert. Der Vorteil ist, dass wir die Beleuchtung elektrisch steuern können», erklärt Stéphanie Lacour, Professorin an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -technik. Dieses Implantat ist über ein subkutanes Kabel mit einem elektronischen System verbunden, das oben auf dem Kopf der Mäuse befestigt ist. «Unsere Kolleginnen und Kollegen an der ETH Zürich haben einen miniaturisierten Chip zur Steuerung der implantierten Dioden entwickelt, der energieeffizient und in eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle integriert ist. Dank dieses Systems können wir genau steuern, wann und wie das Implantat aktiviert wird, unabhängig davon, was das Tier gerade macht», erklärt die Wissenschaftlerin. Kontrolltests bestätigten, dass das optoelektronische Implantat das Verhalten des Tieres in keiner Weise beeinträchtigt und keine Nebenwirkungen hervorruft.
Die Aktivierung schmerzauslösender sensorischer Fasern initiiert und verstärkt die Entzündung
Zur Überraschung des Teams erzeugte die wiederholte optische Stimulation spezifischer sensorischer Neuronen im Nerv eine leichte Rötung in der Hinterpfote des Tieres, ein deutliches Zeichen für eine Entzündung, die durch quantifizierte Analysen von Immunzellen in Hautproben weiter bestätigt wurde. «Unsere Studie hat eine Antwort auf die seit langem gestellte Frage gegeben, ob diejenigen Neuronen, die Schmerzen verursachen, auch eine immunvermittelte Entzündung hervorrufen – die Antwort lautet eindeutig: Ja!», folgert Clifford Woolf.
Diese miniaturisierte implantierbare Neurotechnologie ebnet den Weg für viele weitere Studien, die es den Forschenden ermöglichen, periphere und zentrale neuronale Kreisläufe zu entschlüsseln und besser zu verstehen sowie möglicherweise zukünftige Ansätze zur Behandlung von Syndromen wie chronischen Schmerzen oder anhaltenden Entzündungen zu definieren.