C. elegans mit GFP-markierten Nerven (Haiti Paves/Wikimedia Commons/CC 3.0) 
Gehirne sind aufgrund ihrer feinen Verkabelung und dem subtilen Flüstern von Neurotransmitter-Botschaften nicht gerade das am einfachsten zu untersuchende Organ. Nun könnte diese Forschung etwas einfacher werden, da wir gelernt haben, dass wir einige kritische chemische Systeme austauschen können, ohne dass das Wirtstier davon erfährt.
In einer Proof-of-Concept-Studie eines US-amerikanischen Forscherteams wurde der mikroskopisch kleine Wurm untersucht Caenorhabditis elegans waren genetisch begabte Teile eines Nervensystems, die einem völlig anderen Lebewesen entnommen wurden – einem seltsamen Süßwasserorganismus namens Hydra .
Der Tausch war nicht unähnlich, einem bestimmten Gehirnkreislauf eine Fremdsprache beizubringen, und wenn man feststellte, dass sie ihre Aufgabe genauso gut erfüllt wie zuvor.
„Es gibt eine große Vielfalt an synaptischen Verbindungen im Gehirn jedes Tieres“, erklärt Josh Hawk, Neurowissenschaftler am Marine Biological Laboratory in Massachusetts.
„Die Fähigkeit, auszuwählen, was wir in einen anderen Organismus einbauen, wird uns helfen, zu entschlüsseln und zu verstehen, wie und warum Gehirne tun, was sie tun.“
Ähnlich wie bei uns der Fadenwurm C. elegans verfügt über ein eng vernetztes Nervensystem, das von chemischen Botenstoffen, sogenannten Neurotransmittern, gesteuert wird. Verschiedene Schaltkreise nutzen ihre eigenen Arten von Neurotransmittern, die in die dünnen Lücken zwischen Neuronen, sogenannte Synapsen, freigesetzt werden.
In diesen engen Hohlräumen verrichtet das Gehirn größtenteils seine Arbeit. Synapsen sind die Logikgatter der Computerschaltkreise des Gehirns – einige Signale blockieren, andere verstärken und chemische Fluktuationen in etwas Tiefgründiges umwandeln.
Neurowissenschaftler können viel über die Funktionen eines Nervensystems verstehen, indem sie dieses Ampelsystem mithilfe einer Vielzahl von Medikamenten, genetischen Veränderungen und lichtgesteuerten Schaltern manipulieren.
Dinge ein- und auszuschalten und das Chaos zu beobachten, kann Ihnen viel darüber verraten, wie ein Nervensystem funktioniert. Schließlich ist vieles von dem, was wir in den Neurowissenschaften gelernt haben, auf die Beobachtung der Folgen eines gebrochenen Gehirns zurückzuführen.
„Aber um wirklich zu verstehen, wie sie funktionieren, muss man wissen, ob man sie wieder aufbauen – reparieren – kann, nachdem sie kaputt sind.“ Und das ist sehr schwer zu tun“, sagt der leitende Autor der Studie, Daniel Colón-Ramos von der Yale University School of Medicine.
Der Trick in diesem Fall bestand darin, einen defekten Schaltkreis in Nematoden mit Teilen zu „reparieren“, die von einem anderen Organismus übernommen wurden, der auf einer ganz anderen biochemischen Software läuft. Hydra sind keine Würmer. Sie sind eher mit Seeanemonen verwandt, mit winzigen Tentakelkörpern, die von einer locker verbundenen Ansammlung von Neuronen gesteuert werden, die in einer einfachen, netzartigen Struktur angeordnet sind.
Noch seltsamer ist, dass die Zellen, aus denen dieses neuronale Netz besteht, miteinander kommunizieren, indem sie Peptide ausspritzen, die dann durch den Körper der Hydra diffundieren und passende Rezeptoren auf anderen Zellen aktivieren.
„Es gibt Hunderte von neuronalen Peptiden.“ Hydra , von denen jeder ein anderer Kommunikationskanal sein könnte“, sagt Falke.
„Für mich ist das das Aufregendste.“ „Damit sollte sich ein ganzes Gebiet erschließen, das noch nie jemand zuvor erkundet hat.“
Um das Konzept zu testen, veränderten Hawk und seine Kollegen genetisch veränderte Exemplare von C. elegans die Fähigkeit, sich satt zu fühlen, zu verlieren. Diese hungrigen Würmer zeigten ein Futtersuchverhalten, unabhängig davon, wie viel Nahrung sie zu sich genommen hatten, was den Forschern eine eindeutige Aktivität gab, auf die sie bei ihren Mutanten achten sollten.
Aus dieser Wurmgruppe schufen sie zwei neue Linien – eine mit dem Gen für ein Hydra-Neuropeptid und eine mit dem entsprechenden Rezeptor-Gen.
Die Nachkommenschaft zwischen den beiden Familien brachte die beiden Hälften zu einem einzigen Nervensystem zusammen. Da ihr üblicher „Ich bin satt“-Gehirnschaltkreis nicht in Betrieb war, mussten sie sich auf die Hydra-Neuropeptide verlassen, um das Ende der Essenszeit zu signalisieren.
Der erfolgreiche Tausch ist nur der erste Schritt. Dank der Funktionsweise von Hydra-Neuropeptiden ist es möglich, die Neuronen, die sie zum Signalisieren nutzen, zu trennen und sie über große Entfernungen kommunizieren zu lassen.
„Es gibt Ihnen als Forscher mehr Flexibilität bei der Manipulation von Neuronen, die nicht nebeneinander liegen“, sagt Colon-Ramos.
Diese spezielle Kombination aus Botenstoff und Rezeptor, HySyn genannt, könnte nur der Anfang eines umfangreichen Werkzeugkastens von Ersatzsendern sein, mit denen Forscher die Feinheiten neuronaler Schaltkreise entschlüsseln könnten.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .