Pipette kann einzelne Neuronen aktivieren

Forscher der Universität Linköping haben eine neue Pipette entwickelt, die Ionen an einzelne Neuronen abgeben kann, ohne das empfindliche extrazelluläre Milieu zu beeinträchtigen. Die Kontrolle der Ionenkonzentration kann wichtige Erkenntnisse darüber liefern, wie einzelne Gehirnzellen beeinflusst werden und wie Zellen zusammenarbeiten. Die Pipette könnte auch für therapeutische Zwecke eingesetzt werden. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Small“ veröffentlicht.

„Langfristig könnte diese Technologie eingesetzt werden, um neurologische Erkrankungen wie Epilepsie mit extrem hoher Präzision zu behandeln“, sagt Daniel Simon, Professor an der Universität Linköping, LiU.

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa 85 bis 100 Milliarden Neuronen. Es verfügt außerdem über etwa die gleiche Anzahl an Gehirnzellen, die die Neuronenfunktion unterstützen, beispielsweise durch Ernährung, Sauerstoffversorgung und Heilung. Diese Zellen werden Gliazellen genannt und können in viele Untergruppen unterteilt werden. Zwischen den Zellen befindet sich ein flüssigkeitsgefüllter Raum, das sogenannte extrazelluläre Milieu.

Der Unterschied zwischen dem Milieu innerhalb und außerhalb der Zellen ist für die Zellfunktion wichtig. Ein wichtiger Aspekt ist der Transport verschiedener Ionenarten zwischen den beiden Milieus. Beispielsweise werden Neuronen aktiviert, wenn sich die Konzentration von Kaliumionen ändert.

Es ist bekannt, dass eine Veränderung des gesamten extrazellulären Milieus die Aktivität von Neuronen und damit die Gehirnaktivität beeinflusst. Bisher war jedoch unbekannt, wie sich lokale Veränderungen der Ionenkonzentration auf einzelne Neuronen und Gliazellen auswirken.

Bisherige Versuche, das extrazelluläre Milieu zu verändern, bestanden hauptsächlich darin, Flüssigkeiten einzupumpen. Dadurch wird jedoch das empfindliche biochemische Gleichgewicht gestört. Daher lässt sich nur schwer sagen, ob die Substanzen in der Flüssigkeit, der veränderte Druck oder die herumwirbelnde extrazelluläre Flüssigkeit die Aktivität auslösen.

Um dieses Problem zu umgehen, entwickelten Forscher am Laboratory of Organic Electronics (LOE) der LiU eine Mikropipette mit einem Durchmesser von nur zwei Mikrometern (µm). Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 50 und ein Neuron von etwa zehn Mikrometern.

Mit dieser sogenannten iontonischen Mikropipette können die Forscher dem extrazellulären Milieu gezielt Ionen wie Kalium und Natrium hinzufügen und so die Auswirkungen auf die Neuronen beobachten. Auch die Aktivität der Gliazellen, insbesondere der Astrozyten, wird gemessen.

„Gliazellen bilden die andere – chemische – Hälfte des Gehirns. Über sie wissen wir noch wenig, da es bisher keine Möglichkeit gibt, diese Zellen gezielt zu aktivieren, da sie nicht auf elektrische Stimulation reagieren. Sowohl Neuronen als auch Gliazellen können jedoch chemisch stimuliert werden“, sagt Theresia Arbring Sjöström, Assistenzprofessorin am LOE.

Die Experimente wurden an Hippocampus-Hirngewebeschnitten von Mäusen durchgeführt.