Laserblitze regeln Aktivität lebender Nervenzellen

Urbana (USA) - Lichtaktive biologische Moleküle können unterschiedlich reagieren, wenn sie nicht natürlichem Licht, sondern speziell designten Lichtpulsen ausgesetzt werden. Eine Gruppe amerikanischer Physiker und Biologen konnten nun sogar zeigen, dass auch die Aktivität lebender Nervenzellen von der Gestaltung der Lichtpulse abhängen kann. Ihre Ergebnisse, die sie in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlichten, eröffnen Neurowissenschaftlern einen neuen Weg, um Nervensignale gezielter stimulieren und etwa die Ursachen neuronaler Erkrankungen besser verstehen zu können.

„Über die komplexe Zeitstruktur von ultraschnellen Lichtpulsen könnten neuronale Netzwerke untersucht und moduliert werden“, erläutern Kush Paul und seine Kollegen von der University of Illinois at Urbana-Champaign die Relevanz ihrer Experimente. Dazu nutzten sie Gewebeproben aus hauchdünnen Hirnschnitten von genetisch veränderten Mäusen. Danach analysierten sie die Aktivität der lebenden Nervenzellen in Abhängigkeit von der Lichtreaktion der in der Gewebeprobe enthaltenen Opsin-Proteine. Diese Proteine finden sich sonst in den lichtaktiven Zellen der Netzhaut.

Für kurze Zeiträume beleuchteten Paul und Kollegen ihre Proben mit extrem kurzen Laserpulsen mit Wellenlängen zwischen 960 und 1060 Nanometern. Immer zwei Lichtteilchen waren nötig, um die Lichtreaktion des Proteins zu stimulieren. Über einen mehrstufigen Prozess formten die Forscher die Phasenstruktur ihrer Lichtpulse. Bei diesem Prozess ändert sich zeitlich die Frequenz der Lichtpulse. Trafen nun Lichtpulse zuerst mit niedrigen Frequenzen auf das Protein, stieg die daraus resultierende Aktivität der Nervenzellen an. Dagegen sank die neuronale Aktivität ab, wenn die Forscher Lichtpulse mit höheren Frequenzen an vorderster Front verwendeten.

Dieses Experiment zeigte zum ersten Mal, dass die Reaktion biologischer Proben aus lichtaktiven Proteinen und lebenden Nervenzellen von der Struktur speziell geformter Lichtpulse abhängt. Bisher spielte die Modulation der Quanteneigenschaften von Lichtpulsen vor allem in komplexen physikalischen Experimenten eine Rolle. Doch nun besteht die Chance, mit dieser Methode der so genannten Optogenetik auch den Neurowissenschaften neue Impulse zu geben.