Pfade am Himmel und Signale aus dem Gehirn

Ein alter Traum der Neuroethologie geht in Erfüllung: das gleichzeitige Erfassen von Bewegungen und Gehirnaktivitäten in der natürlichen Umgebung einer Tierart. Forschern der Universität Zürich ist es gelungen, ultraleichte und winzige Datenlogger zu entwickeln, die beides aufzeichnen. Dieser technische Durchbruch wird jetzt von der renommierten Fachzeitschrift «Journal of Neurophysiology» (Volume 95, Issue 2) mit einem Titelblatt gewürdigt.

Prof. Hans-Peter Lipp und Prof. David P. Wolfer vom Anatomischen Institut der Universität Zürich hatten sich daran gestört, dass das Hineinhorchen in die Aktivitäten des Gehirns bei kognitiven Aufgaben nur in kleinräumigen Boxen und Testsituationen innerhalb von Labors möglich war. Niemand weiss daher, wie sich Hirnstromwellen (EEG) und die Entladungsrate von Nervenzellen verändern, wenn sich Tiere - und auch Menschen - in ihrer natürlichen Umgebung und normalen Tagesablauf ungehindert bewegen können. Zwar lassen sich Elektroden und deren Kontaktstecker, die es zur Erfassung von Hirnstromaktivitäten braucht, über lange Zeit und schmerzfrei implantieren. Die im Gehirn entstehenden Signale müssen dann aber elektronisch erfasst und verarbeitet werden. In der Laborsituation geschieht dies traditionellerweise über feine Kabel zur Analyse-Apparatur. Bei grösseren Tieren und Menschen werden solche Signale auch über Radiosender (Radio-Telemetrie) an eine Empfangsstation gesendet. Das Gewicht batteriegetriebener Sender und deren beschränkte Reichweite verhinderten aber bislang, die Gehirnsignale aus dem natürlichen Habitat einer Tierart zu erfassen. Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Komponenten ermöglichte es nun dem Forschungsteam am Anatomischen Institut der Universität Zürich, diese Schranke zu überwinden.

Neurologger mit GPS
Ausgangspunkt der von den Professoren Lipp und Wolfer geleiteten Gruppe war ein zuvor mit der ETH Zürich entwickeltes GPS-Pfadaufzeichnungsgerät, mit dem die Flugpfade von Brieftauben über hunderte von Kilometern exakt aufgezeichnet werden können. Dem Bio-Ingenieur Alexei Vyssotski gelang es, die gesamte Elektronik zur Erfassung und Verstärkung von elektrischen Signalen aus dem Gehirn auf Kreditkarten-Grösse zu verkleinern. Das so entstandene Kombi-Paket zur parallelen Aufzeichnung von GPS-Wegpunkten und Hirnaktivität während vieler Stunden wurde weniger als 30 Gramm schwer. Dies entspricht dem Gewicht, das eine Taube auch in ihrem normalen Leben über lange Distanzen transportiert, wenn sie aufgepickte Körner im Kropf mit sich trägt. Damit wurde es weltweit zum ersten Mal möglich, sowohl Hirnstromwellen (Elektroenzephalographie, EEG) als auch Signale einzelner Nervenzellen während des aufgezeichneten Heimfluges einer Taube aufzuzeichnen. Dieser technische Durchbruch und die damit verbundenen Perspektiven wurden denn auch durch ein Titelblatt der renommierten Fachzeitschrift «Journal of Neurophysiology» gewürdigt.

Wie orientieren sich Vögel?
Verhaltens- und Hirnforscher erhoffen sich von dieser neuen Methode, veränderte Hirnwellenaktivitäten erfassen und damit herausfinden zu können, wie sich Vögel orientieren. Die Zürcher Forscher sahen sich bei Brieftaubenversuchen in Italien mit einem Problem konfrontiert. Mit GPS-Geräten bestückte Tauben wurden vom Meer aus fliegen gelassen. Sie mussten auf dem Heimweg Gebiete überqueren, die unter Wasser starke lokale Veränderungen des Erdmagnetfeldes aufwiesen. Gemäss einer weit verbreiteten Theorie zum Orientierungsverhalten sollte der Flugweg dieser Tauben im Gebiet der magnetischen Anomalie von der Heimfluglinie abweichen. Die bislang getesteten Tauben zeigten sich aber wenig beeindruckt und zogen meist gerade über solche Zonen hinweg. Unklar ist bisher, ob die Taube eine widersprüchliche magnetische Information zwar wahrnahm aber ignorierte, oder ob sie die Anomalien des Erdmagnetfeldes überhaupt nicht bemerkte. Da bei Wirbeltieren die Hirnstromwellen verflachen, wenn das Gehirn eine Aufmerksamkeit erheischende Sinneswahrnehmung macht, wird das EEG zu einem Sensor für aktuell relevante Informationen. Damit können die Zürcher Forscher nun prüfen, ob sich dass EEG während des Heimfluges über den magnetischen Anomalien verändert. «Wenn nicht, hat die Theorie magnetisch unterstützter Orientierung bei Vögeln ein weiteres Problem», sagt Prof. Lipp. Denn auch Albatrosse mit gestörter Wahrnehmung des Erdmagnetfeldes können sich problemlos über Tausende von Kilometern orientieren.

Neue Aera in der Neuroethologie
Der zweite Anwendungsbereich betrifft die Registrierung so genannter Platz-Zellen im Hippocampus. Der Hippocampus ist eine Hirnregion, die beim Menschen komplexe Gedächtnisprozesse kontrolliert. Bei kleineren Tierarten wie Ratten und Mäusen steht die Verarbeitung räumlicher Informationen im Vordergrund. Dies manifestiert sich im Vorhandensein von Platz-Zellen, die bei Studien im Labor immer dann aktiv werden, wenn sich das Individuum an einer bestimmten Stelle im Beobachtungsfeld befindet. Das ist eine kognitive Leistung, weil das Gehirn dabei Sinneseindrücke aus der Umgebung als Orientierungshilfe mit seiner eigenen Bewegungswahrnehmung verrechnen muss. Diese platz-spezifischen Entladungen einzelner Nervenzellen etablieren sich innert weniger Minuten und bezeugen so die rasche Entstehung einer mentalen Karte. Wie aber entstehen und verändern sich solche Platz-Zellaktivitäten, wenn sich ein Tier in seinem normalen Lebensraum bewegt? Gibt es Platz-Zellen bei grossen Wirbeltieren wie etwa Zebras? Was spielt sich im Hippocampus eines anschleichenden Löwens ab? Gibt es Platz-Zellen bei navigierenden Brieftauben, oder vielleicht Nervenzellen, welche die Distanz zum Heimschlag erfassen? Niemand kennt die Antworten. «Sicher ist nur», so Lipp, «dass mit der Entwicklung der neuartigen Datenlogger eine neue Aera in der Neuroethologie anbricht, auch wenn noch viel Entwicklungsarbeit geleistet werden muss.»

Diese Entwicklungsarbeit, unterstützt vom Schweizerischen Nationalfonds, kommt aber nicht nur der Grundlagenforschung zugute. Die ultraleichten und winzigen Datenlogger bieten sich zum einen für die Aufzeichnung von elektrischen Hirn-Signalen bei Patienten mit neurologischen Krankheitsbildern an. Zum andern eröffnet die weitere Miniaturisierung sogar klinische Forschung an Mäusen mit neurologischen Krankheiten, deren elektrische Hirnaktivitäten jetzt über längere Zeit und kostengünstig aufgezeichnet werden können. Die Entwicklungsarbeit wird deshalb auch vom Nationalen Forschungsschwerpunkt (NCCR) «Neural Plasticity and Repair» unterstützt, sodass nun Prototypen eines Aufzeichnungsgerätes vorliegen, das bei einem Gewicht von 2 Gramm nur noch 17 Millimeter lang und 14 Millimeter breit ist, und damit zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.