Die Erforschung elektrischer Hirnaktivität begann bereits in den 1920er-Jahren. Erste Messungen mittels Elektroenzephalografie (EEG) ermöglichten den Nachweis rhythmischer Hirnwellen, deren Störungen mit Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer, Epilepsie oder Schizophrenie assoziiert sind. Klassische Methoden wie lokale Feldpotenzialaufnahmen oder Elektrodenarrays erlauben zwar hochauflösende zeitliche Analysen, sind jedoch limitiert durch fehlende zelltypspezifische Information und Einschränkungen in der räumlichen Auflösung.
Optische Verfahren mit genetisch kodierten Spannungsindikatoren (GEVIs) galten als vielversprechend, waren jedoch durch begrenzte Sensitivität und Photobleaching eingeschränkt. Eine von der Stanford University geleitete Arbeitsgruppe berichtet nun im Fachjournal 'Cell' über die Entwicklung zweier komplementärer TEMPO-Instrumente (transmembrane electrical measurements performed optically), die diese Einschränkungen überwinden und die Analyse hochfrequenter neuronaler Aktivität in lebenden Mäusen ermöglichen.
Optische Spannungsbildgebung statt Elektroden: Echtzeit und Zellspezifität
Im Gegensatz zu Elektroden, die elektrische Aktivität nur punktuell erfassen, arbeiten die von Schnitzers Team entwickelten Instrumente optisch, also lichtgestützt. Dadurch lassen sich Hirnwellen in Echtzeit darstellen, während sie sich über das Gehirn ausbreiten. Zudem lässt sich die Bildgebung gezielt auf Wellen fokussieren, die mit bestimmten Neuronentypen verknüpft sind. „Wir können gleichzeitig mehrere Hirnregionen betrachten und sehen, wie sich die Wellen über den Kortex ausbreiten – mit Zellspezifität“, sagte Mark J. Schnitzer, Seniorautor der Studie und Professor für Biologie und Angewandte Physik an der Stanford University.
Neue TEMPO-Technologien für hochsensitive Spannungsmessungen
Die Forschenden stellten zwei hochsensitive Messinstrumente vor:
- Das Faseroptisches TEMPO ist etwa zehnmal empfindlicher als frühere photometrische Methoden, erlaubt Aufzeichnungen über eine Stunde und kann simultan zwei verschiedene Neuronenklassen erfassen.
- Das TEMPO-Mesoskop ermöglicht großflächige Aufnahmen bis zu 8 mm und zeigt, wie sich neuronale Wellen im Kortex mit zelltypspezifischer Auflösung ausbreiten.
Neue Beobachtungen zu theta-, beta- und gamma-Wellen
Mit den TEMPO-Technologien konnten neuronale Oszillationen bis etwa 100 Hz zuverlässig abgebildet werden. Zentrale Ergebnisse waren:
- Im Hippocampus traten Theta- und Beta-Wellen bidirektional auf – also in zwei entgegengesetzten Ausbreitungsrichtungen.
- Im visuellen Cortex wurden sensorisch ausgelöste Gamma-Wellen mit klaren Ausbreitungsrichtungen sowie 3–7 Hz-Wellen am Ende visueller Stimuli beobachtet.
- Eine enge Kopplung von Theta- und Gamma-Rhythmen in spezifischen Interneuronen wurde sichtbar.
- Zelltypspezifische Muster zeigten sich besonders in parvalbumin-positiven Interneuronen mit ausgeprägter Beta-Aktivität.
Fazit: TEMPO eröffnet neue Dimensionen der Hirnwellenforschung
Die beschriebenen TEMPO-Technologien ermöglichen die differenzierte, zelltypspezifische Untersuchung großräumiger Oszillationen mit hoher Empfindlichkeit. Damit lassen sich neuronale Netzwerke mit bisher nicht erreichter Genauigkeit erfassen. „Es scheint, dass das Gehirn eine innere Uhr besitzt, die die neuronale Aktivität synchronisiert. Diese wandernden Wellen könnten aber auch aktiv neuronale Netzwerke über große Distanzen hinweg reorganisieren – über lokale Verbindungen hinaus“, erklärte Radosław Chrapkiewicz, Mitautor der Studie und Direktor für technische Entwicklung im Schnitzer-Labor.
Weitere Forschung ist nötig, um die Bedeutung dieser Befunde vollständig zu klären. „Es gibt eine Vielzahl sehr wichtiger Anwendungen im Bereich der Neurowissenschaft, um Pathologien und unterschiedliche Dynamiken im Gehirn besser zu verstehen“, ergänzte Simon Haziza, Erstautor der Studie. „Wir stehen hier erst am Anfang.“
