Nano-MIND steuert das Gehirn von Mäusen mit Magnetfeldern

Bereits ein kurzer Impuls eines Magnetfelds genügte, um Mäuse mit nanopartikelaktivierten „Schaltern“ im Gehirn dazu zu bringen, zu fressen, soziale Kontakte zu suchen und sich wie frischgebackene Glucken zu verhalten. Das Experiment sollte ein neuartiges Forschungswerkzeug erproben.

Nano-MIND steuert neuronale Schaltkreise per Magnetfeld

„Gedankenkontroll“-Experimente mit Tieren sind keineswegs neu. Bislang beruhten sie jedoch meist auf sperrigen Elektroden, die das Versuchstier mit einem externen System verbinden. Das erfordert nicht nur invasive Eingriffe, sondern schränkt auch die Bewegungsfreiheit der Tiere ein.

Forschende des Institute for Basic Science (IBS) in Korea haben nun nach eigenen Angaben einen Durchbruch in der Neurologie erzielt: Ihre Methode kombiniert Genetik, Nanopartikel und Magnetfelder, um gezielt Signalwege im Gehirn anzusteuern.

Die Technologie trägt den Namen Nano-MIND, eine Abkürzung für Magnetogenetic Interface for NeuroDynamics. Zwar beschreibt „Gedankenkontrolle“ das Prinzip grob, aber durchaus treffend. In ihrer aktuellen Form soll die Technik Forschenden vor allem ermöglichen, neuronale Schaltkreise aus der Ferne für unterschiedliche Forschungszwecke zu aktivieren.

„Dies ist die weltweit erste Technologie, mit der sich bestimmte Hirnregionen mithilfe von Magnetfeldern frei steuern lassen“, sagt Jinwoo Cheon, leitender Autor und Direktor des IBS Center for Nanomedicine.

„Wir erwarten einen breiten Einsatz in der Forschung zum Verständnis von Hirnfunktionen, hochentwickelten künstlichen neuronalen Netzwerken, bidirektionalen BCI-Technologien [Brain-Computer-Interface] und neuen Behandlungen neurologischer Erkrankungen.“

Die magnetische Stimulation ist ein aufstrebendes Gebiet der neurologischen Forschung. Dabei werden ganze Hirnregionen mit elektromagnetischen Impulsen überflutet, die ihr Verhalten auf subtile Weise großflächig verändern.

Um einzelne Schaltkreise gezielt anzusprechen, griff das Team ein Konzept aus einem anderen Forschungsfeld auf: der Optogenetik. Dort werden Zellen genetisch so verändert, dass sich eingebaute Mechanismen leicht durch eine Lichtquelle aktivieren lassen.

Bei den Mäusen integrierten die Forschenden Ionenkanäle in ausgewählte Populationen von Gehirnzellen. Anders als bei der Optogenetik, bei der Licht über eine lokal platzierte Faser eingebracht wird, ließen sich diese Ionenkanäle durch die Drehung eines winzigen Aktuators magnetisch einschalten. Erforderlich ist lediglich ein umgebendes Feld, das stark genug ist, um an dem Nanopartikel zu ziehen.

Fressverhalten und Sozialkontakte gezielt beeinflusst

Um den Aufbau eingehend zu prüfen, entwickelten die Forschenden drei unterschiedliche Tests. Der erste konzentrierte sich auf Rezeptoren, die im lateralen Hypothalamus an komplexem Fress- und Belohnungsverhalten beteiligt sind. Diese Region liegt tief im zentralen Bereich des Gehirns.

Die Überwachung von Bewegungen und Nahrungsaufnahme innerhalb sowie außerhalb eines Magnetfelds zeigte deutliche Unterschiede. Damit ließ sich offenbar der Wunsch der Mäuse zu fressen buchstäblich nach Belieben ein- und ausschalten.

Unter dem Einfluss des Magnetfelds fraß eine Mäusegruppe mit Schaltern an ihren exzitatorischen Neuronen nur halb so viel. Eine zweite Gruppe mit technisch veränderten inhibitorischen Neuronen nahm bei aktivem Magnetfeld dagegen die doppelte Menge Nahrung auf.

Im lateralen Hypothalamus verlaufen zudem Signalwege, die für Sozialverhalten verantwortlich sind. Wurde eine entsprechend veränderte Maus bei aktivierten Magnetfeldern in eine Kammer mit einer ihr unbekannten Maus gesetzt, ließ sich bei den Tieren „freundliches“ Verhalten fördern.

Nano-MIND aktiviert Fürsorgeverhalten bei Mäuseweibchen

Ein weiterer Test richtete sich auf zentrale Rezeptoren in der sogenannten medialen präoptischen Region, die mit elterlicher Fürsorge in Verbindung steht.

Weibliche Mäuse, bei denen Nano-MIND die mediale präoptische Region stimulierte, wurden in eine mit „naturnahen“ Merkmalen ausgestattete Kammer gesetzt. Unter dem magnetischen Einfluss reagierten sie deutlich anders auf die Rufe junger Mäuse: Sie näherten sich ihnen schneller und verharrten länger über den verstörten Jungtieren.

Eine derart präzise Kontrolle bestimmter Schaltkreise wäre für Forschende wertvoll, die neurologische Signalwege kartieren oder neuartige Behandlungen testen möchten.

Langfristig könnte vergleichbare Nanotechnologie sogar zur Behandlung psychischer Erkrankungen beim Menschen beitragen oder eine wichtige Rolle bei Therapien gegen beeinträchtigende neurologische Leiden spielen. Dadurch könnte die vollständige Kontrolle über den eigenen Geist wieder bei der betroffenen Person liegen.

Die Forschung wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.