Das Gehirn mit Licht aktivieren: Der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2026

Am 5. Oktober gab die Nobelversammlung am Karolinska-Institut bekannt, dass der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2026 an Karl Deisseroth, Peter Hegemann und Georg Nagel für ihre Entdeckungen zu lichtgesteuerten Ionenkanälen und zur Optogenetik geht. Die Optogenetik ist eine Methode, mit der Forscher einzelne Nervenzellen im lebenden Gehirn mithilfe von Licht aktivieren oder deaktivieren können; sie wird genutzt, um zu untersuchen, wie Neuronen Erinnerungen, Emotionen und Verhalten hervorbringen. Die Geschichte beginnt mit einer Grünalge, die der Sonne entgegen schwimmt. Wie kam ein Teichorganismus in eine Nobelpreis-Begründung, und was hat sich dadurch bisher für die Menschen verändert?

Ein 1979 niedergeschriebener Wunsch

Das menschliche Gehirn enthält etwa 86 Milliarden Neuronen vieler verschiedener Typen, die dicht an dicht gepackt und auf eine Weise miteinander vernetzt sind, die wir noch immer zu verstehen versuchen. Während des größten Teils des 20. Jahrhunderts konnten Forscher diese Zellen mit Elektroden abhören oder mit elektrischem Strom stimulieren. Das Problem bei einer Elektrode ist, dass sie alles anregt, was sich in ihrer Reichweite befindet – sei es die Zelle, die von Interesse ist, ihre Nachbarn oder die Fasern, die zufällig daran vorbeiführen. Im Jahr 1979 schrieb Francis Crick, dass ein großes Hindernis für die Neurowissenschaften darin bestehe, dass es keine Möglichkeit gebe, einen bestimmten Neuronentyp zu steuern, ohne die anderen zu beeinflussen. Später schlug er vor, dass Licht diese Aufgabe übernehmen könnte, da ein Lichtstrahl auf ein Ziel gerichtet und innerhalb von Millisekunden ein- und ausgeschaltet werden kann. Neuronen reagieren jedoch nicht auf Licht. Jemand müsste ihnen diese Fähigkeit erst verleihen.

Eine Alge mit Lichtsinn

Peter Hegemann widmete einen Großteil seiner frühen Karriere der Frage, wie Chlamydomonas reinhardtii, eine einzellige Grünalge, Licht wahrnimmt. Die Zelle besitzt einen winzigen Augenfleck und schwimmt auf mäßiges Licht zu, das ihre Photosynthese antreibt, und entfernt sich von zu starkem Licht. Hegemann und seine Kollegen beobachteten, dass die Alge innerhalb von Millisekunden reagierte – weitaus schneller, als es eine Kette chemischer Reaktionen zulassen würde. Diese Geschwindigkeit legte nahe, dass der Lichtsensor selbst ein elektrisches Gatter in der Zellmembran war.

Um das Jahr 2000 herum tauchten Sequenzen aus dem Genom der Alge in öffentlichen Datenbanken auf. Hegemann und Georg Nagel, ein Biophysiker, der in Frankfurt gemeinsam mit Ernst Bamberg an Ionenkanälen forschte, fanden zwei Gene, die den lichtempfindlichen Pigmenten von Mikroben ähnelten. Nagel brachte sie in Froscheiern und in kultivierten menschlichen Zellen unter, schaltete eine Lampe ein und maß einen elektrischen Strom. Das erste Protein, das 2002 beschrieben wurde, ließ Protonen durch. Das zweite, das 2003 veröffentlicht und als Channelrhodopsin-2 bezeichnet wurde, öffnete sich unter blauem Licht und ließ positiv geladene Ionen wie Natrium in die Zelle strömen.

Einfach ausgedrückt: Neuronen kommunizieren miteinander über elektrische Impulse, die entstehen, wenn Ionen durch Kanäle in ihrer Membran fließen. Channelrhodopsin ist ein Kanal mit einem lichtempfindlichen Verschluss. Blaues Licht öffnet ihn, Ionen strömen ein, und wenn genug davon vorhanden sind, feuert das Neuron.

Autor: Buchen, L. Neurowissenschaften: Das Gehirn beleuchten. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

Von der Neugier zum Werkzeug

Karl Deisseroth, Psychiater und Bioingenieur an der Stanford University, behandelte Patienten mit Depressionen und anderen Störungen und wusste, wie wenig die Forschung über die beteiligten neuronalen Schaltkreise aussagen konnte. Im Jahr 2005 brachte sein Labor – unter anderem mit Edward Boyden und Feng Zhang als Autoren – das Channelrhodopsin-2-Gen mithilfe eines Virus in Neuronen von Säugetieren ein. Wenn die Zellen mit blauen Lichtimpulsen bestrahlt wurden, feuerten sie mit Millisekundenpräzision und verstummten, sobald das Licht ausging. Das Ergebnis erschien in „Nature Neuroscience“, einer der renommiertesten Fachzeitschriften auf diesem Gebiet.

Was diese Entdeckung zu einem Werkzeug machte, war das genetische Targeting. Indem die Forscher das Gen an Kontrollsequenzen anfügten, die nur in einem bestimmten Zelltyp aktiv sind, stellten sie sicher, dass nur diese Zellen das Protein produzierten. Licht kann dann über eine in den Schädel implantierte Glasfaser an eine Maus geleitet werden, und nur die markierten Zellen reagieren darauf. In späteren Arbeiten wurden Proteine hinzugefügt, die Neuronen stilllegen, anstatt sie zu erregen, sowie Varianten, die auf andere Farben reagieren und sich schneller oder langsamer öffnen. Da nun sowohl ein Ein- als auch ein Ausschalter zur Verfügung standen, konnte ein Schaltkreis darauf getestet werden, ob er für ein Verhalten notwendig ist und ob er ausreicht, um es auszulösen.

Was der Schalter gezeigt hat

Was lernt man, wenn man eine Handvoll Zellen aktivieren kann? Im Jahr 2007 weckte das Bestrahlen von Orexin-produzierenden Neuronen im Hypothalamus schlafende Mäuse. Im Jahr 2012 markierte die Gruppe um Susumu Tonegawa die Neuronen, die aktiv waren, während Mäuse lernten, eine Kammer zu fürchten. Die Reaktivierung dieser Zellen durch Licht führte dazu, dass die Tiere in einer anderen, harmlosen Kammer erstarrten, was zeigte, dass eine Erinnerung künstlich aktiviert werden kann. In Modellen der Parkinson-Krankheit berichtete Deisseroths Labor 2009, dass die Stimulation der vom Kortex kommenden Verbindungen die Symptome linderte – ein Hinweis darauf, wie die tiefe Hirnstimulation, eine bereits bei Patienten angewandte Behandlungsmethode, ihre Wirkung entfalten könnte.

Die gleiche Logik wurde auf Angstzustände, Fressverhalten, Schmerz, Sucht und soziales Verhalten angewendet. Jedes Experiment verbindet ein Verhalten mit einer definierten Gruppe von Zellen, und genau diese Verbindung ist das, was ein Medikament oder ein chirurgisches Ziel benötigt.

Autor: Buchen, L. Neurowissenschaften: Das Gehirn beleuchten. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

Von Mäusen zu Patienten

Die klinische Anwendung ist noch viel jünger. Im Jahr 2021 berichtete ein Team unter der Leitung von José-Alain Sahel und Botond Roska in „Nature Medicine“ über einen Mann, der aufgrund einer Retinitis pigmentosa erblindet war und einen Teil seines Sehvermögens wiedererlangte. Ein Virus hatte eine Kanalrhodopsin-Variante in die Zellen seiner Netzhaut eingeschleust, und er trug eine Brille, die Kamerabilder in bernsteinfarbene Lichtimpulse umwandelte. Nach monatelanger Übung konnte er Gegenstände auf einem Tisch lokalisieren und zählen und angeblich die Streifen eines Zebrastreifens erkennen. Forscher wie Tobias Moser in Göttingen arbeiten an optischen Cochlea-Implantaten, die Schallfrequenzen feiner unterscheiden könnten als die heute verwendeten elektrischen Geräte.

Die Vorbehalte sind beträchtlich. Das Ergebnis bei der Netzhaut betrifft einen einzigen Patienten und eine teilweise Wiederherstellung. Um Neuronen tief im menschlichen Gehirn zu erreichen, sind Gentherapie und eine im Gewebe platzierte Lichtquelle erforderlich, und beides birgt Risiken, für die eine Studie an Mäusen keine Verantwortung tragen muss. Die Optogenetik ist vorerst weitaus mehr ein Laborinstrument als eine Behandlungsmethode.

Ein Preis mit drei Namen

Ein Nobelpreis kann höchstens drei Preisträger haben, und an dieser Geschichte sind mehr Personen beteiligt. Ernst Bamberg arbeitete mit Nagel an den Experimenten zusammen, die Channelrhodopsin charakterisierten. Edward Boyden war an der Veröffentlichung von 2005 beteiligt, in der das Protein in Neuronen eingebracht wurde. Gero Miesenböck hatte bereits 2002 gezeigt, dass Neuronen von Fliegen, die lichtempfindliche Proteine tragen, mithilfe eines anderen Gensatzes mit Licht gesteuert werden können. Welche Entdeckungen einen Platz auf der Bühne verdienen, ist eine Frage, die das Nobelkomitee jedes Jahr beantwortet – und jedes Jahr lässt die Antwort Kollegen vor der Tür stehen.