Nano-MIND: Magnetfelder steuern das Verhalten von Mäusen

Allein durch das Umschalten eines Magnetfelds wurden Mäuse mit nanopartikelaktivierten „Schaltern“ im Gehirn dazu gebracht zu fressen, Kontakt zu Artgenossen zu suchen und sich wie frischgebackene, fürsorgliche Mütter zu verhalten. Das Experiment sollte ein neuartiges Forschungsinstrument erproben.

Experimente zur „Gedankenkontrolle“ bei Tieren sind zwar keineswegs neu, doch bislang waren die Versuchstiere meist über unhandliche Elektroden mit einem externen System verbunden. Das erfordert nicht nur invasive Eingriffe, sondern schränkt auch die Bewegungsfreiheit der Tiere ein.

Forschende des Institute for Basic Science (IBS) in Korea beschreiben ihre Methode als Durchbruch in der Neurologie: Sie kombiniert Genetik, Nanopartikel und Magnetfelder, um gezielt Signalwege im Gehirn anzusteuern.

Die Technik trägt den Namen Nano-MIND, eine Abkürzung für Magnetogenetische Schnittstelle für Neurodynamik. „Gedankenkontrolle“ ist zwar eine grobe, aber durchaus zutreffende Bezeichnung. In ihrer derzeitigen Form soll die Technologie Forschenden jedoch vor allem ermöglichen, neuronale Schaltkreise aus der Ferne für verschiedene Untersuchungen 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, dass sie in der Forschung zum Verständnis von Gehirnfunktionen, hochentwickelten künstlichen neuronalen Netzwerken, bidirektionalen BCI-Technologien [Gehirn-Computer-Schnittstellen] sowie neuen Therapien für neurologische Erkrankungen breit eingesetzt wird.“

Nano-MIND und magnetische Stimulation im Gehirn

Die magnetische Stimulation ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet der Neurologie. Dabei werden große Hirnareale mit elektromagnetischen Impulsen beeinflusst, die deren Verhalten auf subtile Weise verändern.

Um einzelne Schaltkreise gezielt anzusprechen, übernahm das Forschungsteam ein Prinzip aus der Optogenetik. Bei diesem Forschungsansatz werden Zellen genetisch mit Mechanismen ausgestattet, die sich leicht durch eine Lichtquelle aktivieren lassen.

Im vorliegenden Fall bauten die Forschenden Ionenkanäle in ausgewählte Populationen von Gehirnzellen bei Mäusen ein.

Statt Licht wie bei der Optogenetik über eine örtlich begrenzte Faser einzuleiten, ließen sich die 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.

Magnetfelder steuerten Fressverhalten und Sozialverhalten

Um die Anordnung zu testen, entwickelten die Forschenden drei unterschiedliche Versuche. Der erste konzentrierte sich auf Rezeptoren im lateralen Hypothalamus, einer tief im Zentrum des Gehirns liegenden Region, die an komplexem Fress- und Belohnungsverhalten beteiligt ist.

Die Beobachtung von Bewegung und Nahrungsaufnahme innerhalb und außerhalb eines Magnetfelds zeigte deutliche Unterschiede. Damit ließ sich nachweisen, dass sich das Verlangen der Mäuse zu fressen buchstäblich nach Belieben ein- und ausschalten ließ.

Unter Einfluss des Magnetfelds fraß eine Mäusegruppe mit Schaltern in ihren erregenden Neuronen nur halb so viel. Bei einer zweiten Gruppe, deren hemmende Neuronen verändert worden waren, verdoppelte sich die Nahrungsaufnahme, solange das Magnetfeld aktiv war.

Im lateralen Hypothalamus befinden sich außerdem Signalwege, die für Geselligkeit zuständig sind. Wurde eine entsprechend veränderte Maus bei aktivem Magnetfeld in eine Kammer mit einer ihr unbekannten Maus gesetzt, konnten die Forschenden bei den Tieren „freundliche“ Verhaltensweisen fördern.

Nano-MIND beeinflusste mütterliche Fürsorge

Ein weiterer Test richtete sich auf wichtige Rezeptoren in der medialen präoptischen Area, die mit elterlicher Fürsorge in Verbindung steht.

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

Eine derart präzise Kontrolle bestimmter Schaltkreise wäre für Forschende von großem Nutzen, die neurologische Signalwege kartieren oder neue Behandlungsmethoden prüfen möchten.

Langfristig könnte vergleichbare Nanotechnologie möglicherweise auch psychische Probleme beim Menschen behandeln oder eine bedeutende Rolle in Therapien gegen schwer beeinträchtigende neurologische Erkrankungen spielen. Damit könnte sie die vollständige Kontrolle über den eigenen Geist wieder an die betroffene Person zurückgeben.

Die Forschung wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.