Wie steuert unser Gehirn Gefühle, Verhaltensweisen und Körperfunktionen? Lange Zeit waren die Vorgänge in unserem Denkorgan ein Rätsel. Erst mithilfe moderner Methoden wie Hirnstrommessungen und Magnetresonanztomografien konnten Neurowissenschaftler erste Einblicke in die Arbeitsweise des Gehirns erhalten, beispielsweise darüber, welche Hirnregionen für welche Aufgaben zuständig sind und wie die Areale miteinander vernetzt sind. Doch die daraus gewonnenen Erkenntnisse glichen noch immer eher einer groben Skizze.
Meilenstein für die Neurowissenschaft
Mit der noch neuen Methode der Optogenetik hat sich dies jedoch geändert. „Die Optogenetik eröffnet Möglichkeiten, das Gehirn auf eine Weise zu kartieren, von der wir einst nur träumen konnten“, sagt Per Svenningsson, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physiologie oder Medizin. Denn durch die Optogenetik lassen sich einzelne Neuronen, Areale oder Hirnschaltkreise gezielt aktivieren oder deaktivieren. Dadurch lässt sich erstmals im Detail nachverfolgen, welche komplexen neurophysiologischen Prozesse unserem Denken und Fühlen zugrunde liegen.
„Die Möglichkeit, gezielt einzelne Nervenzelltypen im Gehirn zu aktivieren, hat unser Verständnis dieses erstaunlichen Organs grundlegend gewandelt“, erklärt das Nobelpreiskomitee. Mithilfe dieser Methode haben Forschende beispielsweise die neuronalen Schaltkreise identifiziert, die unser Schmerzempfinden, den Durst und Appetit, Süchte oder unsere Aufmerksamkeit und unser Sozialverhalten regulieren. Auch die neuronale Basis wichtiger interner Körperprozesse hat sie Optogenetik im wahrsten Sinne des Wortes beleuchtet.
Peter Hegemann: Eine Grünalge machte den Anfang
Die Geschichte der Optogenetik beginnt mit einer Frage, die sich Peter Hegemann vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried in den 1990er Jahren stellte: Wie erkennt die einzellige Grünalge Chlamydomonas das Licht und schwimmt gerichtet darauf zu? Um dies herauszufinden, untersuchte Hegemann den rötlichen Augenfleck dieser Alge mithilfe winziger Elektroden. Er stellte fest, dass dieser Fleck nahezu instantan auf Beleuchtung reagierte: Schon eine halbe Millisekunde nach Ankunft des Lichts entstand ein elektrischer Impuls.
Die durch Licht ausgelöste Reaktion der Grünalge Chlamydomonas gab den Anstoß für Peter Hegemanns Untersuchungen. — © Mattias Karlén/ The Nobel Assembly at Karolinska Institute
Das Besondere daran: Verglichen mit der Reaktionszeit der Sehpigmente in unserer Netzhaut ist eine halbe Millisekunde ungewöhnlich schnell. Hegemann schloss daraus, dass hinter dem Lichtsinn der Alge keine so komplexe chemische Reaktionskette stehen kann wie im menschlichen Auge. Er vermutete, dass es im Augenfleck von Chlamydomonas ein Protein gibt, das als Lichtsensor fungiert und gleichzeitig selbst das elektrische Signal auslöst, indem es einen Ionenkanal öffnet. Allerdings gelang es Hegemann zunächst nicht, diese Hypothese zu beweisen – das Protein ließ sich nicht stabil isolieren und bestimmen.
Georg Nagel: Gene, Froscheier und das Kanalrhodopsin
An diesem Punkt kam der zweite Preisträger ins Spiel: Hegemann bat Georg Nagel vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main um Hilfe. Dieser hatte Methoden entwickelt, um artfremde proteinkodierende Gene in die Kerne von Froscheiern einzuschleusen. Die Eier produzierten dann die Proteine und ermöglichten es so, sie zu bestimmen und zu untersuchen. Kurz zuvor hatten japanische Forscher das Erbgut von Chlamydomonas entschlüsselt und Hegemann hatte zwei Gene im Verdacht, das von ihm gesuchte Protein zu kodieren.
Nagel schleuste diese beiden Gene in seine Froscheier ein - und tatsächlich: Sie erzeugten zwei eng verwandte Proteine Kanalrhodopsin-1 und -2, die sich in die Zellmembran einbetteten und dort einen Ionenkanal bildeten. Bestrahlte man diese Proteine mit Licht, öffnete sich der Ionenkanal und erzeugte dadurch ein elektrisches Signal – wie in der einzelligen Alge beobachtet. Das Kanalrhodopsin-2 reagierte besonders schnell und stark.
Damit hatten Hegemann und Nagel ein Protein entdeckt, das auf Licht reagiert und gleichzeitig über seinen Ionenkanal ein elektrisches Signal erzeugen kann. In weiteren Versuchen zeigte sich dann, dass das Kanalrhodopsin auch dann diese Funktion behielt, wenn sein Gen in Zellen anderer Organismen und Organe eingeschleust wurde. Im Jahr 2003 veröffentlichten Hegemann und Nagel ihre Ergebnisse und postulierten darin bereits, dass dieses Algenprotein zu einem einzigartigen Werkzeug für die Neuroforschung werden könnte: Schleust man sein Gen Nervenzellen ein, lassen diese sich durch Licht an und ausschalten.
Das Einschleusen der Gene in Froscheier führte zur Entdeckung der Kanalrhodopsine und bewies, dass diese Proteine Ionenkanäle bilden, die auf Bestrahlung reagieren. — © Mattias Karlén/ The Nobel Assembly at Karolinska Institute
Karl Deisseroth: Von der Kanalrhodopsin-DNA zur vielseitig einsetzbaren Methode
Der dritte Preisträger, Karl Deisseroth, forschte zu dieser Zeit an der Stanford University in den USA. Der Mediziner, Psychiater und Neurowissenschaftler forschte an neurologischen Erkrankungen und ihren Ursprüngen im Gehirn, kam aber allein durch Hirnschnitte und histologische Proben nicht weiter. Er wandte sich daher an Hegemann und Nagel und bat sie um die DNA des Kanalrhodopsin-2. Im Labor schleuste er diese DNA erstmals in Nervenzellen von Ratten ein.
Es zeigte sich: Auch die Rattenneuronen produzierten daraufhin das lichtempfindliche Algenprotein. Als Deisseroth und sein Team diese Nervenzellen blauem Licht aussetzten, reagierten sie ebenfalls mit einem elektrischen Nervensignal. 2006 gelang es den Forschern, diese Methode bei lebenden Mäusen anzuwenden und damit die Bewegung der Tasthaare an der Mäuseschnauze zu kontrollieren. Erstmals gab es damit die Möglichkeit, die Nervenaktivität bei Säugetieren zu kontrollieren und gezielt auf der Ebene einzelner Zellen zu erforschen.
Die Geburt der Optogenetik
Damit war die Optogenetik geboren. Inzwischen haben Forschende weitere Proteine entdeckt, die ähnlich wie Kanalrhodopsin-2 reagieren aber für Licht anderer Wellenlängen sensibel sind. Mithilfe dieser Werkzeuge wurden spezifische Hirnschaltkreise für unsere Gefühle, Erinnerungen oder Verhaltensweisen entdeckt und auch Mechanismen, die neurologischen Erkrankungen wie Depression, Schizophrenie, Alzheimer oder Parkinson zugrunde liegen.
Für ihre Verdienste um das Feld der Optogenetik erhalten Peter Hegemann, Georg Nagel und
Karl Deisseroth nun den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin des Jahres 2026. „Sie werden für ihre grundlegenden Entdeckungen zu einem Werkzeug ausgezeichnet, das die Neurowissenschaften revolutioniert hat“, heißt es in der Begründung des Nobelpreiskomitees. „Die Optogenetik trägt weiterhin dazu bei, eines der größten Rätsel der Menschheit zu entschlüsseln: wie das Gehirn funktioniert.“
Quelle: Nobelpreiskomitee für Physiologie oder Medizin
