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08.03.2018

Mit Magnetismus Einblicke gewinnen in die intimsten Geheimnisse der Zellen

ein Forschungsteam unter Federführung des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München (TUM) hat in ‚Nature Communications‘ ein neues Modell vorgestellt, um den Magnetsinn zu untersuchen. Ihre Studien an Fischen ermöglichten sowohl die Messung von Gehirnaktivierung durch Magnetfeldstimulation als auch den Nachweis, dass der Magnetsinn auch in Dunkelheit funktioniert.

Als Magnetsinn wird die Fähigkeit von Tieren bezeichnet, das Magnetfeld der Erde wahrzunehmen und für die Navigation zu nutzen. Wie das genau funktioniert, ist bisher aber nicht verstanden. „Dabei könnte dieses Wissen abseits der neurowissenschaftlichen Neugier zu neuen molekularen Methoden führen“, erklärt Prof. Dr. Gil Gregor Westmeyer. Er ist der Leiter der aktuellen Forschungsarbeit an der Schnittstelle von molekularer Bildgebung und Neurowissenschaften und ist mit seiner Arbeitsgruppe sowohl an das Helmholtz Zentrum München als auch an die TUM angebunden. „Wäre es möglich, den Mechanismus nachzubauen, könnte man vermutlich Zellen durch magnetische Impulse steuern und beispielsweise dazu bringen, bestimmte Botenstoffe auszuschütten.“ Um an diesen Punkt zu gelangen, suchten Westmeyer und sein Team nach einem Modell, um den Magnetsinn zu ergründen. 

Die Wissenschaftler konzentrierten ihre Arbeit auf den Zebrafisch und dessen Verwandten den Medaka (Japanischer Reisfisch). Beide sind genetisch gut erforscht und können mikroskopisch gut analysiert werden.* In einer Testarena, in dem das Magnetfeld mit Hilfe sogenannter Helmholtz-Spulen** verändert werden kann, untersuchten die Forscher das Schwimmverhalten. Dabei fanden sie heraus, dass ausgewachsene Fische beider Arten (bei ansonsten gleich bleibenden Bedingungen) ihre Ausrichtung abhängig vom Magnetfeld änderten. Dieser Effekt trat auch in Dunkelheit auf, sodass auch ein lichtunabhängiger Mechanismus angenommen werden muss.

„In diesem Modell können wir nun nach den bisher nicht identifizierten Magnetrezeptorzellen suchen, von denen unsere Verhaltensexperimente gemäß der Theorie vorhersagen, dass sie magnetisches Material beinhalten sollten“, erklärt Doktorandin Ahne Myklatun, eine der Erstautorinnen der Arbeit.   

Darüber hinaus konnten die Forscher einen ähnlichen Magnetfeld-abhängigen Effekt in jungen Fischen zeigen. „Das ist ein entscheidender Vorteil, denn in ihren frühen Entwicklungsstadien sind die Fische noch nahezu durchsichtig“, erklärt Postdoktorandin Dr. Antonella Lauri, die andere Erstautorin der Arbeit. „Auf diese Weise können wir mit bildgebenden Verfahren möglicherweise herausfinden, welche Hirnregionen aktiv sind, während sie sich anhand des Magnetfeldes orientieren.“ Eine Kandidatenregion für die Verarbeitung dieser Prozesse im Gehirn konnten die Wissenschaftler bereits identifizieren - eine Spur, die auch zu den unbekannten Magnetrezeptorzellen führen könnte.

Gil Gregor Westmeyer, Leiter der vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten Studie fasst zusammen: „Der Magnetsinn ist einer der wenigen noch unverstandenen Sinne auf der Welt. Diese Art multidisziplinärer Arbeit wird letztendlich zum Verständnis seines biophysikalischen Mechanismus und zu den ihm zugrundeliegenden neuronalen Berechnungen beitragen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse könnten auch interessante Lösungsansätze für unsere Forschungsarbeit bieten, Systeme zur Fernsteuerung von molekularen Prozessen mit Magnetfeldern zu entwickeln."

Weitere Informationen

* Kürzlich ist es Westmeyer und seinem Team gelungen ein Open Source-Mikroskop zu entwickeln (NeuBtracker.org), das es erstmals erlaubt, neuronale Aktivitäten des Modellorganismus Zebrafisch zu beobachten, während dieser sich frei bewegt.

** Als Helmholtz-Spule bezeichnet man eine besondere Spulenanordnung, die auf den deutschen Physiker Hermann von Helmholtz (1821–1894) zurückgeht. Durch die Überlagerung mehrerer Einzelmagnetfelder ergibt sich zwischen den Spulen nahe der Spulenachse ein Bereich mit weitgehend homogenem Magnetfeld, das für Experimente frei zugänglich ist.

Hintergrund:
Langfristig möchte das Team die Erkenntnisse für neue Techniken der Magnetogenetik einsetzen, ein innovatives Forschungsprogramm  das wohl auch im neuen Helmholtz Pioneer Campus (HPC) eine Rolle spielen könnte. Hier wollen Forscher verschiedener Disziplinen miteinander an neuen Lösungen für medizinische Fragestellungen arbeiten. „So wäre es beispielsweise im Diabetes-Kontext denkbar, Zellen zu entwickeln, die durch einen Magneten dazu gebracht werden, Insulin auszuschütten“, so Westmeyer.

An der Arbeit waren auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Oldenburg und Hohenheim sowie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) beteiligt. Prof. Dr. Gil Gregor Westmeyer ist Helmholtz-seitig an die Institute für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) und Entwicklungsgenetik (IDG) angebunden. Darüber hinaus arbeitet er an der Nuklearmedizinischen Klinik und Munich School of Bioengineering (MSB) der Technischen Universität München (TUM).

Original-Publikation: