Neurowissenschaften-Preis für optisches Verfahren, das neue Einblicke in das lebende Gehirn bietet

TUM-Hirnforscher Arthur Konnerth erhält den hochdotierten „Brain Prize“

TUM Prof. Arthur Konnerth, Friedrich-Schiedel-Lehrstuhl für Neurowissenschaften, erhält mit drei weiteren Forschern den Brain Prize. (Bild: A. Heddergott / TUM)
TUM Prof. Arthur Konnerth, Friedrich-Schiedel-Lehrstuhl für Neurowissenschaften, erhält mit drei weiteren Forschern den Brain Prize. (Bild: A. Heddergott / TUM)

Forschung

Die diesjährigen Gewinner der weltweit höchstdotierten Auszeichnung für Neurowissenschaften sind von der dänischen „Grete Lundbeck European Brain Research Foundation“ bekannt gegeben worden. Den mit einer Million Euro dotierten Preis teilen sich vier Wissenschaftler, darunter Prof. Arthur Konnerth von der Technischen Universität München (TUM). Der Brain Prize 2015 wird vergeben für „die Erfindung, Ausarbeitung und Anwendung der Zwei-Photonen-Mikroskopie zur Gewinnung von detailreichen, dynamischen Bildern von der Aktivität in einzelnen Nervenzellen, Dendriten und Synapsen, was einen grundlegenden Wandel in der Untersuchung der Entwicklung, Plastizität und funktionellen Verschaltung des Gehirns bedeutet“.

„Ich bin meinen wissenschaftlichen Mentoren und der TUM sehr dankbar“, sagte Prof. Arthur Konnerth. „Schließlich wurde ein Großteil der prämierten Arbeiten an der TUM durchgeführt.“ Konnerth war erstmalig zwischen 1999 und 2000 an der TUM tätig, als er einen wesentlichen Teil der preisgekrönten Forschungsarbeiten durchführte (Veröffentlichung 2003). Im Jahr 2006 wurde Konnerth auf den neugegründeten Friedrich-Schiedel-Lehrstuhl für Neurowissenschaften der TUM berufen. Darüber hinaus war er Carl-von-Linde-Fellow des TUM Institute for Advanced Study sowie Projektleiter in den Exzellenzclustern SyNergy (Munich Cluster for Systems Neurology) und CIPSM (Center for Integrated Protein Science Munich).

TUM-Präsident Prof. Dr. Wolfgang A. Herrmann erklärte: „Dass Arthur Konnerth 2006 auf den Friedrich-Schiedel-Lehrstuhl der TUM berufen wurde, war eine große Bereicherung für unsere Universität. Seitdem hat er bei der Entwicklung der TUM zu einem weltweit sichtbaren Zentrum für neurowissenschaftliche Forschung eine Schlüsselrolle gespielt.“

Mit Untersuchungen zur Funktion einzelner Nervenzellen bis hin zur Analyse größerer neuronaler Netzwerke hat Konnerth bahnbrechende Studien über die Funktionsweise des Gehirns sowohl im gesunden Zustand als auch bei neurodegenerativen Schädigungen, wie bei der Alzheimer’schen Erkrankung, geleitet. Mehrere grundlegende Entdeckungen waren durch seine Anwendung der Zwei-Photonen-Mikroskopie möglich - einem optischen Verfahren, mit dem sich die Gehirnaktivität detailliert beobachten lässt.

Die anderen mit dem Brain Prize 2015 ausgezeichneten Preisträger sind Winfried Denk (Max-Planck-Institut für Neurobiologie, München), David Tank (Princeton University, New Jersey, USA) und Karel Svoboda (Howard Hughes Medical Institute, Maryland, USA). Der mit einer Million Euro dotierte Preis zur persönlichen Verwendung wird zu gleichen Teilen unter den Prämierten aufgeteilt. Er wird am 7. Mai in Kopenhagen von Kronprinz Frederik von Dänemark überreicht.

Von Zellen und Schaltkreisen in Gesundheit und Krankheit

Im Jahr 2003 bahnten Konnerth und sein Team den Weg für ein bildgebendes Verfahren, mit dem erstmalig die Funktion von Schaltkreisen in der Hirnrinde des Gehirns durch die Beobachtung einzelner Zellen direkt untersucht werden konnte. Heute wird dieses Verfahren weltweit in vielen Labors angewendet, um besser zu verstehen, wie das Gehirn das Verhalten steuert. In jüngerer Zeit verfeinerten die Wissenschaftler das Verfahren noch weiter, sodass es im Jahr 2010, zum Bespiel, möglich wurde, feinste Details der Gehirnfunktion während des Sehvorgangs zu beobachten. Dabei gelang eine Verbesserung der optischen Auflösung, durch die nicht nur die Aktivität einzelner Nervenzellen, sondern sogar die einzelner Synapsen darstellbar wurde. Dadurch wurde es möglich, die funktionellen Verbindungen von Gehirnzellen detailliert zu kartieren.

Die Forscher verknüpften die Zwei-Photonen-Mikroskopie mit der sogenannten Patch-Clamp-Technik und konnten dadurch die elektrischen Signale der Nervenzellen, parallel zur optischen Messung der synaptischen Aktivität in den feinen dendritischen Ausläufern, messen. Mit diesen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass ein Neuron sehr unterschiedliche Sinneseindrücke empfängt und diese zu einem eindeutig definierten Ausgangssignal verarbeitet.

Im Jahr 2012 führten in-vivo-Experimente an einzelnen Neuronen in einem Mausmodell der Alzheimer’schen Erkrankung zu einer weiteren wichtigen Entdeckung. Die Arbeitsgruppe um Konnerth beobachtete einen direkten Zusammenhang zwischen der Zunahme von plaquebildendem Beta-Amyloid-Protein, das am Krankheitsgeschehen ursächlich beteiligt ist, und auftretenden Funktionsstörungen des Nervensystems. Diese Funktionsstörungen führten zu Beeinträchtigungen auf den verschiedenen Ebenen, und zwar von einzelnen Nervenzellen, hin zu neuronalen Schaltkreisen, der sensorischen Wahrnehmung und dem Verhalten. Die Versuche ergaben, dass diese Einschränkungen gleichzeitig fortschreiten und dabei die Stadien der Alzheimer’schen Erkrankung bestimmen.

Im Jahr 2013 konnte die sogenannte „langsame“ Wellenaktivität des Gehirns mit einer Kombination von optischen Verfahren genauer erforscht werden. Diese rhythmischen Signalimpulse treten in bestimmten Phasen des Schlafes auf und sind von zentraler Bedeutung bei der Ausbildung des Gedächtnisses. Derartige langsame Wellen werden bereits in frühen Phasen der Entwicklung beobachtet und können bei Erkrankungen, wie etwa dem Morbus Alzheimer, gestört sein.

In der Studie wurden optische Aktivitätsmessungen und ein optogenetischer Ansatz miteinander kombiniert. Konnerths Arbeitsgruppe konnte nachweisen, dass eine solche langsame Welle durch ein einzelnes kleines Neuronencluster ausgelöst werden kann. „Unter den vielen Milliarden Gehirnzellen“, erläuterte Konnerth, „reicht lediglich ein lokales Cluster von gerade einmal 50 bis 100 Neuronen im Inneren der Hirnrinde, ihrer sogenannten fünften Schicht, aus, um eine Aktivitätswelle zu erzeugen, die sich im gesamten Gehirn ausbreitet.“

Die Forschungsarbeiten von Prof. Konnerth wurden von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und von der Friedrich-Schiedel-Stiftung gefördert.

Kontakt
Prof. Arthur Konnerth
Technische Universität München
Institut für Neurowissenschaften
T: +49.89.4140.3351
E: arthur.konnerth@lrz.tu-muenchen.de
W: http://www.ifn.me.tum.de/new/

Weitere Informationen

TUM Prof. Arthur Konnerth im Labor. (Bild: A. Heddergott / TUM)
TUM Prof. Arthur Konnerth im Labor. (Bild: A. Heddergott / TUM)
TUM Prof. Arthur Konnerth im Labor. (Bild: A. Heddergott / TUM)
TUM Prof. Arthur Konnerth im Labor. (Bild: A. Heddergott / TUM)
TUM Prof. Arthur Konnerth im Labor. (Bild: A. Heddergott / TUM)
TUM Prof. Arthur Konnerth im Labor. (Bild: A. Heddergott / TUM)