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Wissenschaftler auf aller Welt arbeiten daran, das Gehirn zu verstehen. Sie wollen herausfinden, auf welchen Wegen Sinnesreize aufgenommen, Signale weitergeleitet und verarbeitet werden. All das soll auch dazu beitragen, Krankheiten des Gehirns zu erklären.
Deshalb wird im Rahmen von Grossprojekten wie der amerikanischen US BRAIN Initiative vermehrt in die Hirnforschung investiert. Am Dienstag hat das renommierte amerikanische «National Institutes of Health» (NIH) die ersten durch die BRAIN Initiative geförderten Projekte bekannt gegeben, darunter das Projekt des Hirnforschers Fritjof Helmchen vom Institut für Hirnforschung der Universität Zürich, dem für die nächsten drei Jahre 750‘000 US-Dollar zugesprochen wurden. «Das ist für uns eine Riesenchance», freut sich Helmchen, dessen Projekt wohl deshalb gefördert wurde, weil sein Team durch die Entwicklung neuer Mikroskope Aktivitätsmuster im lebenden Gehirn verbessert aufzeichnen kann.
Forschende beschreiten unterschiedliche Wege, um den Prozessen im Gehirn auf den Grund zu gehen. Die einen wählen einen makroskopischen Weg, sie versuchen zum Beispiel, mittels bildgebender Verfahren bestimmten Arealen des Gehirns und deren Zusammenhang mit Verhaltensmustern auf die Spur zu kommen. Dabei können die einzelnen Nervenzellen jedoch nicht sichtbar gemacht werden.
Andere – wie Fritjof Helmchen – arbeiten mikroskopisch. Sie untersuchen einen kleinen Ausschnitt des Gehirns, um die Signalflüsse in den zellulären Netzwerken mit hoher Auflösung zu verfolgen. In Zukunft wird es darum gehen, die Signalverarbeitung im Gehirn, insbesondere im menschlichen Denkorgan, umfassend zu verstehen. «Im Moment besteht noch eine Lücke zwischen makro- und mikroskopischen Verfahren», sagt Helmchen. «Um diese Lücke zu schliessen, benötigen wir in Zukunft neue Methoden, um grössere Areale auch mikroskopisch betrachten zu können.»
Einen Schritt in diese Richtung ist sein Team mit der Entwicklung eines neuen Mikroskops, einer Erweiterung der sogenannten Zwei-Photonen-Laser-Scanning Mikroskopie, bereits gegangen. Mit diesem Mikroskop-Prototyp, in dem ein Laserstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt und dann wieder durch ein Objektiv geführt wird, ist es möglich, mehrere Areale des Gehirns gleichzeitig bei der Arbeit zu beobachten und zu untersuchen, wie diese Areale miteinander kommunizieren. Das Mikroskop zeichnet die zellulären Aktivitätsmuster in den Arealen als Filme wie bei einem Video auf. Mit einer speziellen Software können die Daten anschliessend analysiert werden.
Damit komplexe Handlungen ausgeführt werden können, braucht es bei Mensch und Tier zum einen Reize, zum anderen müssen die Signale im Gehirn weitergeleitet und verarbeitet werden, um entsprechende sinnvolle Reaktionen auszulösen. Möglich macht das ein feines, weit verzweigtes Netzwerk von Nervenzellen. Über sie gelangen Milliarden von einzelnen Signalen innerhalb kürzester Zeit an den richtigen Ort im Gehirn.
Doch wie genau funktioniert das? Die Forschergruppe von Helmchen arbeitet mit Mäusen, die viele Tastreize über ihre Schnurrhaare wahrnehmen. Dies machen sich die Forscher zunutze, indem sie den Tieren beibringen, verschiedene Arten von Schmirgelpapier voneinander zu unterscheiden. Unterscheiden sie richtig, dann erhalten sie eine Belohnung. Die Verarbeitung des Tastreizes, die (richtige oder falsche) Aktion und auch der Lernprozess führen zu unterschiedlichen Aktivitätsmustern in den Nervenzellnetzwerken, die die Forscher mit Hilfe fluoreszierender Indikator-Stoffe und der Zwei-Photonen-Mikroskopie darstellen können. Das Ziel der Untersuchungen ist es, die Signalwege im Neokortex beim Lösen einer relevanten Verhaltensaufgabe nachzuvollziehen und die daran beteiligten Nervenzellen zu entdecken.
Mit dem neuartigen Mikroskop, dessen Optimierung jetzt durch das NIH gefördert wird, wollen Helmchen und sein Team die Signalwege und die Rolle bestimmter Hirnareale noch genauer untersuchen. Ziel ist, den Mikroskop-Prototypen so weiterzuentwickeln, dass vier oder mehr Bereiche des Gehirns gleichzeitig beobachtet werden können. So können vielleicht auch Lernprozesse sichtbar gemacht werden.
«Wir haben die Möglichkeit, die Aktivität derselben Zellen über Wochen aufzunehmen, und wir hoffen, dem so Geheimnis des Lernens auf die Spur zu kommen. Vielleicht entdecken wir, wie sich die Aktivität in Kommunikationszellen, die zwischen bestimmten Arealen hin und her vermitteln, bei Lernen verändert», sagt Helmchen.
