Brainbow: Wie man ein Gehirn einfärbt

Der Doktor der Biomedizin Pablo Barrecheguren spricht über den Begriff „Brainbow“, eine Technik, die es ermöglicht, benachbarte Neuronen zu unterscheiden.

Im Jahr 1906 wurde der Nobelpreis für Medizin zwischen Camillo Golgi und Santiago Ramón y Cajal geteilt. Weite Teile des Preises wurden Golgi für die Entwicklung einer Färbemethode zugesprochen, die Neuronen und ihre Verzweigungen markierte, aber diese hatte das Problem, dass es bei der Vielzahl von Neuronen sehr schwierig war zu erkennen, wo jedes einzelne Neuron begann und endete.

Cajal veränderte die Färbung so, dass wesentlich weniger Neuronen unterscheidbar waren, was es ermöglichte, jede einzelne Zelle einzeln zu sehen und zu entdecken, dass es bei der Kommunikation zwischen Neuronen Trennräume gab.

Der Brainbow

Seit den Anfängen der Histologie war es stets ein konstantes Problem, Neuronen und ihre Fortsätze in einer Färbung zu unterscheiden.

Und das aus gutem Grund, denn unser Gehirn enthält mehr als 100.000 Kilometer Verbindungen. Glücklicherweise wurde 2007 die erste Version einer Technik veröffentlicht, die es ermöglicht, jede einzelne dieser Verbindungen individuell sichtbar zu machen: der Brainbow.

Die Konzepte des Brainbow

Diese Technik basiert auf zwei sehr einfachen Konzepten:

1. Es ist möglich, transgene Tiere zu erzeugen, die fluoreszierende Proteine in verschiedenen Farben exprimieren. Zum Beispiel gibt es das grüne fluoreszierende Protein (GFP, Green Fluorescent Protein) oder das rote fluoreszierende Protein (RFP, Red Fluorescent Protein).
2. Wenn jede Zelle eines tierischen Gewebes verschiedene Typen dieser fluoreszierenden Proteine in unterschiedlichen Mengen aufweist, hat jede Zelle eine andere Farbe.

Auf dieser Grundlage wurden Tiere (zunächst an Mäusen gearbeitet), die drei oder vier verschiedene fluoreszierende Proteine aufwiesen, erzeugt, die sich durch die Aktivierung eines Gens (einer ebenfalls künstlich in das Genom eingeführten Rekombinase) vermischten. Diese Rekombinase mischt in jeder Zelle zufällig die Mengen und Typen der fluoreszierenden Proteine.

Das Ergebnis ist, dass man etwa 100 verschiedene Farbkombinationen erhält. Entscheidend dabei ist, dass diese Farbänderung dauerhaft ist und die gesamte Zelle einschließlich ihrer Verzweigungen markiert.

Da dies in den Neuronen des Gehirns geschieht, ermöglicht es eine detaillierte Untersuchung dessen, was man als Connectom bezeichnet (das Netzwerk der Verbindungen zwischen Neuronen), und erleichtert bereits die mikroskopische Analyse, wo sich jedes Neuron verbindet.

Allerdings erfordert dies eine umfangreiche Arbeit in Bioinformatik und Elektronenmikroskopie, um ein derart großes Verbindungsvolumen zu bewältigen.

Doch die Untersuchung des Connectoms lohnt sich, denn erst die Verbindungen ermöglichen den Informationsfluss zwischen Neuronen und sind es, die tatsächlich erklären, wie das Gehirn bei jeder Aufgabe funktioniert.

Der Brainbow in anderen Organismen

Die Bedeutung des Brainbow ist so groß, dass es in andere Organismen übertragen wurde, in denen genetische Manipulation möglich ist.

Ein Beispiel ist Drosophila melanogaster, die Fruchtfliege, in der es intensive neurowissenschaftliche Forschung sowohl auf grundlegender Ebene zur Gehirnentwicklung als auch auf biomedizinischer Ebene gibt, beispielsweise Studien mit Drosophila zu Parkinson oder Alzheimer.

Ein weiteres Beispiel ist der Dario rerio oder Zebrafisch, der dank seiner Transparenz in den frühen Entwicklungsphasen für das Studium der anfänglichen Bildung des Nervensystems von Wirbeltieren verwendet wird.

Außerdem darf man nicht vergessen, dass, obwohl der Brainbow ursprünglich als Technik für neurowissenschaftliche Studien entwickelt wurde, dieses Werkzeug auch an andere Gewebetypen angepasst werden kann.

Der Brainbow und die Zellbiologie

Damit hat sich der Brainbow zu einem der beliebtesten Werkzeuge der Zellbiologie entwickelt. Er bleibt weiterhin ein wichtiges Hilfsmittel im Studium des Connectoms, das zweifellos die große neurowissenschaftliche Herausforderung des 21. Jahrhunderts darstellt.

Er kann aber auch für andere Aufgaben eingesetzt werden, wie zum Beispiel das Studium von Zelllinien: Sobald die Technik aktiviert ist, bleibt die Farbänderung in den Neuronen dauerhaft und ist darüber hinaus erblich.

Das bedeutet, dass, wenn sich diese Zelle teilt, ihre Tochterzellen die Farbe der Mutterzelle beibehalten. Dies ermöglicht eine präzise Untersuchung, welche Zellen welchen Geweben entspringen und trägt so zu einem tieferen Verständnis des Felds der neuronalen Stammzellen bei.

Der Brainbow ist nicht nur eine der eindrucksvollsten Techniken der Molekularbiologie, sondern auch eine der vielseitigsten.

Bibliographie

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• Dawen Cai, Kimberly B. Cohen, Tuanlian Luo, Jeff W. Lichtman, and Joshua R. Sanes. New tools for the brainbow toolbox. Nat Methods (2013). 10(6): 540–547.
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• Zoe T. Cook, Nicole L. Brockway, Zachary J. C. Tobias, Joy Pajarla, Isaac S. Boardman, Helen Ippolito, Sylvia Nkombo Nkoula, and Tamily A. Weissman. Combining near-infrared fluorescence with Brainbow to visualize expression of specific genes within a multicolor context. Molecular Biology of the Cell (2019). Volume 30

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Dieser Artikel wurde übersetzt; Link zum Originalartikel auf Spanisch:
Brainbow: Cómo colorear un cerebro