Quallen leuchten in einem Aquarium © Frederic J. Brown/AFP/Getty Images

Dieser Wurm ist ein durchschaubares Wesen. Sein transparenter Leib gibt den Blick auf seine Innereien frei. Aber richtig schrill erscheint das winzige Tier erst, wenn Alexander Gottschalk auf den Knopf drückt: Grellgrün leuchten dann einzelne Zellbündel auf – unter dem Elektronenmikroskop blitzt dem Wissenschaftler der helle Widerschein von Nervenfeuer entgegen.

Der Biochemiker Gottschalk gehört zu den Pionieren einer Revolution in der Neuroforschung. In seinen Labors an der Frankfurter Goethe-Universität erhält der Wissenschaftler durch ein neues Verfahren bislang undenkbar detaillierte Einblicke in die Arbeitsweise des Nervensystems. Optogenetik nennt sich die Technologie – gleichsam eine Fusion von Optik und Genetik. Durch genetisch geschneiderte Eiweiße können die Forscher dabei einzelne neuronale Netze gezielt in Erregung versetzen oder zum Schweigen bringen. »Wir können im lebenden Tier Nervenschaltkreise bis hin zu den Abläufen in einzelnen Zellen erforschen«, erklärt Gottschalk.

Dabei könnten einzelne Schaltkreise im Gehirn sogar gezielt gesteuert werden. »Unglaublich aufregend«, sagt Carl Petersen, Leiter des Labors für die Verarbeitung von Sinneseindrücken am Brain Mind Institute der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Lausanne. Man sei nun dabei zu verstehen, wie einzelne Nervenzellen in Netzen verschaltet werden, die das Verhalten steuern. Die Optogenetik habe dabei bereits die gesamte Neurowissenschaft verändert, resümierte die Wissenschaftszeitschrift Nature Methods und erklärte das Verfahren zur »Forschungsmethode des Jahres 2010«. Die Technik erlaube eine derart präzise zeitliche Kontrolle einzelner Nervenzellen, dass man damit Abläufe im lebenden Hirn in Echtzeit beobachten könne.

Tatsächlich bietet die Methode ganz neue Einblicke in die Biologie der Signalverarbeitung. Deren Erforschung war bislang mühsam – und notorisch unpräzise. So untersuchten Forscher die Reaktionen von Tieren oder Probanden auf unspezifische Reize wie Farben, Geräusche und Gerüche. Ärzte mussten aus Beobachtungen auf mögliche Hirnschäden schließen, und auch Geräte wie EEG oder MRI (»Hirnscanner«) zeigten stets nur die Gesamtaktivität unzähliger Nervenzellen. Einzelne Neuronen zu beobachten war unmöglich. Geschweige denn, sie zu reizen. Denn Medikamente wirken breit gestreut auf das ganze Gehirn, Nebenwirkungen inklusive. Auch die Entladungen von implantierten Elektroden treffen stets eine ganze Nachbarschaft mit Abertausenden Zellen.

Weil Störungen der Signalübertragung im Hirn solchen Krankheiten wie Epilepsie, Narkolepsie oder auch Parkinson zugrunde liegen, weckt die noch junge Optogenetik bereits Hoffnungen auf eine medizinische Anwendung. Sogar die Macht, Blinde wieder sehen zu lassen, wird ihr zugesprochen. Ganz ernsthaft. Solchen Enthusiasmus sollte man zwar stets mit Vorsicht genießen. Doch ein völlig neues Werkzeug für die neurologische Grundlagenforschung ist die Optogenetik allemal.

So sind Gottschalks Einblicke nicht bloß für Fadenwurmforscher interessant. Trotz seiner denkbar simplen genetischen Ausstattung dient Caenorhabditis elegans als Modell für physiologische Vorgänge auch in komplexeren Organismen – wie dem des Menschen. Das Erbgut des Fadenwurms ist vollständig entschlüsselt. Und die Frankfurter Forscher haben seine exakt 302 Nervenzellen kartiert und studieren nun, was in seinen neuronalen Netzwerken abläuft.

Obwohl der Wurm mit nur rund 7000 Verbindungen (»Synapsen«) im Vergleich zum Menschen geradezu ärmlich wenige Verschaltungen aufweist, ähnelt das Zusammenwirken der einzelnen Neuronen frappierend dem bei Säugetieren. Ein ideales Versuchsobjekt eigentlich, aber bislang schied das Tier für neuro- oder zellbiologische Experimente aus. Es war mit nur einem Millimeter Länge schlicht zu winzig, als dass man seine Nervenzellen mit einer Elektrode hätte ansprechen können.