Eine großflächige optogenetische Neurophysiologieplattform zur Verbesserung der Zugänglichkeit in Verhaltensexperimenten mit nicht-menschlichen Primaten

Ein Fenster in das arbeitende Gehirn öffnen

Zu verstehen, wie Gehirnaktivität Verhalten hervorbringt, zählt zu den größten Herausforderungen der Neurowissenschaften, besonders bei Arten, deren Gehirne unserem sehr ähnlich sind. Dieser Artikel beschreibt eine neue experimentelle Plattform, mit der Forschende Licht auf Affengehirne richten können, um bestimmte Nervenzellen gezielt zu dämpfen oder zu aktivieren, während sie gleichzeitig die entstehende Gehirnaktivität aufzeichnen und Verhaltensänderungen beobachten. Indem dieses Werkzeug robuster und leichter nutzbar gemacht wird, zielt die Arbeit darauf ab, die Forschung zu Erkrankungen wie Schlaganfall, Depression und anderen Gehirnkrankheiten zu beschleunigen.

Ein neues Werkzeugkasten für lichtgesteuerte Gehirnkontrolle

Die Forschenden wollten ein praktisches Problem lösen: Optogenetik – die Nutzung lichtempfindlicher Proteine zur Steuerung von Neuronen – hat Studien an Nagetieren revolutioniert, war aber bei Affen deutlich schwerer anzuwenden. Größere Gehirne brauchen eine breitere Abdeckung, Langzeitexperimente erfordern Hardware, die jahrelang sicher verbleiben kann, und viele Labore haben keinen Zugang zu spezialisierter chirurgischer Bildgebung. Das Team entwickelte eine modulare Plattform, die fünf zentrale Komponenten zusammenführt: eine maßgeschneiderte, am Schädel befestigte Kammer, eine transparente künstliche Dura, die zugleich als elektrisches Sensorarray dient, flexible Lichtquellen, die große Hirnregionen abdecken können, eine vereinfachte Methode, lichtempfindliche Proteine großflächig zu verbreiten, und Software, die lichtbedingte Störungen in den elektrischen Aufzeichnungen bereinigt.

Ein klares Fenster mit eingebauten Abhörposten

Im Zentrum des Systems steht eine „multimodale künstliche Dura“, eine weiche, transparente Kappe, die einen Teil der natürlichen Hirnhaut ersetzt. In dieses durchsichtige Blatt sind Dutzende winziger Elektroden eingebettet, die sanft auf der Gehirnoberfläche liegen und elektrische Aktivität über ein großes Areal aufzeichnen. Die Kappe ist wie ein flacher Zylinderhut geformt, dessen Rand unter den Rand der entfernten natürlichen Membran gleitet, um Nachwuchs zu verhindern, der das Licht blockieren würde. Kabel der Elektroden werden in Rillen innerhalb einer am Schädel befestigten Titan-Kammer verlegt, wo sie bei Bedarf leicht an Aufzeichnungsgeräte angeschlossen, zwischen den Sitzungen aber sicher verstaut werden können. Bei zwei Rhesusmakaken blieben diese Kammer und Kappe nahezu vier bzw. fünf Jahre stabil.

Licht und lichtempfindliche Proteine in großem Maßstab liefern

Um Neuronen zu steuern, musste das Team zunächst ein inhibitorisches lichtempfindliches Protein namens Jaws über große Bereiche des Parietalcortex verteilen. Anstatt sich auf langsame Diffusion aus Punktinjektionen oder technisch anspruchsvolle, MRT-geführte Verfahren zu stützen, nutzten sie eine konvektionsverstärkte Applikation: Eine winzige Nadel mit abgestufter Spitze pumpt die Virallösung unter leichtem Druck in das Gewebe, sodass sie sich gleichmäßig in der Umgebung verteilt. Da die Gehirnoberfläche durch die chirurgische Öffnung sichtbar war, konnten Chirurgen sofort Leckagen erkennen und korrigieren. Wochen später erlaubte die transparente Kappe die Bildgebung grüner Fluoreszenz über dasselbe Gebiet und bestätigte so die erfolgreiche Expression über mehrere zehn Quadratmillimeter. Zur Stimulation baute die Gruppe flache LED-Arrays in roten und blauen Wellenlängen, die über der klaren Kappe sitzen, getrennt durch eine Glasscheibe und einen Luftspalt, um Erwärmung zu begrenzen. Die LEDs werden mit glatten analogen Strömen betrieben, um elektrische Störungen in den Aufzeichnungen zu vermeiden, und lassen sich räumlich und zeitlich so steuern, dass unterschiedliche Kortexbereiche punktgenau stimuliert werden können.

Durch das Licht hindurch zuhören und Bewegung untersuchen

Helle Lichtblitze erzeugen eigene elektrische Artefakte, die die schwachen neuronalen Signale überdecken können. Zur Lösung zeichneten die Forschenden zunächst auf, wie die Stimulation in einer einfachen Kochsalzlösung aussieht, und nutzten diese Muster, um die lichtinduzierten Artefakte aus den Affengehirnaufnahmen zu subtrahieren. Mit dieser Korrektur zeigten sie, dass rotes Licht über Jaws-exprimierendem Gewebe zuverlässig Gehirnrhythmen veränderte, sowohl in Ruhe als auch während einer Greifaufgabe. Überraschenderweise zeigte die Oberflächenaufzeichnung trotz der hemmenden Wirkung von Jaws häufig erhöhte Leistung in vielen Frequenzen. Simulationen und frühere Arbeiten deuten auf einen plausiblen Mechanismus hin: starke Hemmung nahe der Oberfläche könnte tiefer liegende Zellen von ihrer üblichen Bremswirkung entlasten, was zu erhöhter Aktivität in den Schichten führt, die am meisten zu den Oberflächensignalen beitragen.

Eine Reichweite mit einem kurzen Lichtstoß verlangsamen

Um zu prüfen, ob diese neuronalen Veränderungen das Verhalten beeinflussen, wurden die Affen darauf trainiert, mit der rechten Hand von einem zentralen Startpunkt zu einem von vier Zielen auf einem Bildschirm zu greifen. In der Hälfte der Versuche wurde ein 900 Millisekunden langer Lichtstoß roten Lichts auf den posterioren Parietalcortex appliziert, eine Region, die an Planung und Steuerung von Armbewegungen beteiligt ist. Die Grundform der Reichbewegungen blieb ähnlich, doch die Zeit bis zum Ziel und die Weglänge nahmen zu, besonders bei Abwärts- und Linksbewegungen und besonders bei dem Affen mit stärkerer Expression nahe einer wichtigen parietalen Furche. Gleichzeitig stieg die hochfrequente Gehirnaktivität über der lichtempfindlichen Region in stimulierten Versuchen stärker an als in benachbarten, nicht-exprimierenden Regionen, was die optogenetische Störung sowohl mit lokalen Schaltungsänderungen als auch mit messbaren Verhaltensverzögerungen verknüpft.

Warum das für Hirnforschung und Medizin wichtig ist

Diese Arbeit liefert ein langlebiges, flexibles „Fenster“ in das Affengehirn, das es Forschenden ermöglicht, große neuronale Netzwerke über Monate und Jahre hinweg sowohl zu steuern als auch zu beobachten. Indem sie die Notwendigkeit einer Echtzeit-MRT während der Operation vermeidet, auf handelsübliche Komponenten und einfache Labormethoden setzt und Entwürfe sowie Code offen teilt, senkt die Plattform die Hürden für viele Gruppen, fortgeschrittene optogenetische Studien an nicht-menschlichen Primaten durchzuführen. Langfristig könnten solche Werkzeuge aufklären, wie verteilte Hirnschaltkreise Bewegung, Wahrnehmung und Erholung nach Verletzungen unterstützen, und dazu beitragen, stimulierungsbasierte Therapien für menschliche neurologische und psychiatrische Störungen zu verfeinern.

Zitation: Griggs, D.J., Stanis, N., Bloch, J. et al. A large-scale optogenetic neurophysiology platform for improving accessibility in non-human primate behavioral experiments. Nat Commun 17, 3128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69448-3

Schlüsselwörter: Optogenetik, nicht-menschliche Primaten, Elektrokortikographie, neuronale Stimulation, motorisches Verhalten