Pressemitteilung

Neurowissenschaften
09.03.2018

Ein Kompass in der Dunkelheit

Ein Forschungsteam unter Federführung des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München (TUM) hat in ‚Nature Communications‘ ein neues Modell vorgestellt, um den Magnetsinn zu untersuchen. Ihre Studien an Fischen ermöglichten sowohl die Messung von Gehirnaktivierung durch Magnetfeldstimulation als auch den Nachweis, dass der Magnetsinn auch in Dunkelheit funktioniert.

© Westmeyer/Helmholtz Zentrum München

Als Magnetsinn wird die Fähigkeit von Tieren bezeichnet, das Magnetfeld der Erde wahrzunehmen und für die Navigation zu nutzen. Wie das genau funktioniert, ist bisher aber nicht verstanden. „Dabei könnte dieses Wissen abseits der neurowissenschaftlichen Neugier zu neuen molekularen Methoden führen“, erklärt Prof. Dr. Gil Gregor Westmeyer. Er ist der Leiter der aktuellen Forschungsarbeit an der Schnittstelle von molekularer Bildgebung und Neurowissenschaften und ist mit seiner Arbeitsgruppe sowohl an das Helmholtz Zentrum München als auch an die TUM angebunden. „Wäre es möglich, den Mechanismus nachzubauen, könnte man vermutlich Zellen durch magnetische Impulse steuern und beispielsweise dazu bringen, bestimmte Botenstoffe auszuschütten.“ Um an diesen Punkt zu gelangen, suchten Westmeyer und sein Team nach einem Modell, um den Magnetsinn zu ergründen. 

Die Wissenschaftler konzentrierten ihre Arbeit auf den Zebrafisch und dessen Verwandten den Medaka (Japanischer Reisfisch). Beide sind genetisch gut erforscht und können mikroskopisch gut analysiert werden.* In einer Testarena, in dem das Magnetfeld mit Hilfe sogenannter Helmholtz-Spulen** verändert werden kann, untersuchten die Forscher das Schwimmverhalten. Dabei fanden sie heraus, dass ausgewachsene Fische beider Arten (bei ansonsten gleich bleibenden Bedingungen) ihre Ausrichtung abhängig vom Magnetfeld änderten. Dieser Effekt trat auch in Dunkelheit auf, sodass auch ein lichtunabhängiger Mechanismus angenommen werden muss.

„In diesem Modell können wir nun nach den bisher nicht identifizierten Magnetrezeptorzellen suchen, von denen unsere Verhaltensexperimente gemäß der Theorie vorhersagen, dass sie magnetisches Material beinhalten sollten“, erklärt Doktorandin Ahne Myklatun, eine der Erstautorinnen der Arbeit.   

Darüber hinaus konnten die Forscher einen ähnlichen Magnetfeld-abhängigen Effekt in jungen Fischen zeigen. „Das ist ein entscheidender Vorteil, denn in ihren frühen Entwicklungsstadien sind die Fische noch nahezu durchsichtig“, erklärt Postdoktorandin Dr. Antonella Lauri, die andere Erstautorin der Arbeit. „Auf diese Weise können wir mit bildgebenden Verfahren möglicherweise herausfinden, welche Hirnregionen aktiv sind, während sie sich anhand des Magnetfeldes orientieren.“ Eine Kandidatenregion für die Verarbeitung dieser Prozesse im Gehirn konnten die Wissenschaftler bereits identifizieren - eine Spur, die auch zu den unbekannten Magnetrezeptorzellen führen könnte.

Gil Gregor Westmeyer, Leiter der vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten Studie fasst zusammen: „Der Magnetsinn ist einer der wenigen noch unverstandenen Sinne auf der Welt. Diese Art multidisziplinärer Arbeit wird letztendlich zum Verständnis seines biophysikalischen Mechanismus und zu den ihm zugrundeliegenden neuronalen Berechnungen beitragen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse könnten auch interessante Lösungsansätze für unsere Forschungsarbeit bieten, Systeme zur Fernsteuerung von molekularen Prozessen mit Magnetfeldern zu entwickeln."

Weitere Informationen

* Kürzlich ist es Westmeyer und seinem Team gelungen ein Open Source-Mikroskop zu entwickeln (NeuBtracker.org), das es erstmals erlaubt, neuronale Aktivitäten des Modellorganismus Zebrafisch zu beobachten, während dieser sich frei bewegt.

** Als Helmholtz-Spule bezeichnet man eine besondere Spulenanordnung, die auf den deutschen Physiker Hermann von Helmholtz (1821–1894) zurückgeht. Durch die Überlagerung mehrerer Einzelmagnetfelder ergibt sich zwischen den Spulen nahe der Spulenachse ein Bereich mit weitgehend homogenem Magnetfeld, das für Experimente frei zugänglich ist.

Hintergrund:
Langfristig möchte das Team die Erkenntnisse für neue Techniken der Magnetogenetik einsetzen, ein innovatives Forschungsprogramm  das wohl auch im neuen Helmholtz Pioneer Campus (HPC) eine Rolle spielen könnte. Hier wollen Forscher verschiedener Disziplinen miteinander an neuen Lösungen für medizinische Fragestellungen arbeiten. „So wäre es beispielsweise im Diabetes-Kontext denkbar, Zellen zu entwickeln, die durch einen Magneten dazu gebracht werden, Insulin auszuschütten“, so Westmeyer.

An der Arbeit waren auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Oldenburg und Hohenheim sowie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) beteiligt. Prof. Dr. Gil Gregor Westmeyer ist Helmholtz-seitig an die Institute für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) und Entwicklungsgenetik (IDG) angebunden. Darüber hinaus arbeitet er an der Nuklearmedizinischen Klinik und Munich School of Bioengineering (MSB) der Technischen Universität München (TUM).

Original-Publikation:
Myklatun, A. & Lauri, A. et al. (2018): Zebrafish and medaka offer insights into the neurobehavioral correlates of vertebrate magnetoreception. Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-018-03090-6

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus, Allergien und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. 

Das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMI) erforscht In-vivo-Bildgebungstechnologien für die Biowissenschaften. Es entwickelt Systeme, Theorien und Methoden zur Bildgebung und Bildrekonstruktion sowie Tiermodelle zur Überprüfung neuer Technologien auf der biologischen, vorklinischen und klinischen Ebene. Ziel ist es, innovative Werkzeuge für das biomedizinische Labor, zur Diagnose und dem Therapiemonitoring von humanen Erkrankungen bereit zu stellen.

Durch eine steigende Lebenserwartung nehmen sowohl altersbedingte, als auch soziologische und umweltbedingte Einflüsse auf die Gene zu. Diese Veränderungen des genetischen Materials untersucht das Institut für Entwicklungsgenetik (IDG).  Im Forschungsbereich Mouse Genetics werden genetische Tiermodelle zur Erforschung verschiedener Erkrankungen entwickelt. Diese Modelle werden im Disease Modelling analysiert um Genfunktionen und Zellprozesse zu identifizieren und den Einfluss von Umwelt und Alterungsprozessen zu bewerten. Ein Schwerpunkt liegt dabei in der Untersuchung neurologischer und psychiatrischer Krankheiten.

Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 550 Professorinnen und Professoren, 41.000 Studierenden sowie 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit dem Campus TUM Asia in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands.