Neurobiologie: Chips und Neuronen im Dialog

Weichtier auf Hardware

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Weichtier auf Hardware: die Schlammschnecke Lymnaea stagnalis auf einer Siliziumscheibe, dem Rohling für Chips (FOTO: V. STEGER).

Computer und Gehirne arbeiten zwar jeweils elektrisch, nutzen aber unterschiedliche Ladungsträger: Elektronen die einen, Ionen die anderen. Der Biophysiker Peter Fromherz überwand diese "Sprachbarriere" mit einem eleganten Trick. Er koppelte Chip und Neuron über elektrische Felder. Im Gegensatz zur üblichen Reizung mit Elektroden, bei der man die Zelle ansticht und Strom von der Elektrode in die Zelle fließt, ist diese Methode "non-invasiv"; denn das Neuron wird nicht verletzt und eine dadurch bedingte Veränderung der Zelle vermieden.

Kunststoff-Halterung für Nervenzellen

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Winzige Polymer-Pflöcke (blau) verhindern, dass die Nervenzelle (gelb) auf dem Chip wandert und dabei die entsprechenden Kontaktstellen verlässt. Die farbenfrohe Aufnahme entstand mit Hilfe der so genannten Fluoreszenz-Interferenz-Kontrast-Mikroskopie.

Für den Grundlagenforscher Fromherz war es vor allem eine intellektuelle Herausforderung, als er sich im Jahr 1985 fragte, ob es gelingen könnte, eine Neuron-Silizium-Verbindung herzustellen. "Als ich das erste Mal ernsthaft darüber nachdachte, motivierte mich auch die Vorstellung, dass man den Computer an das Hirn lötet. Man bringt so gedanklich völlig verschiedene Konzepte der Wissenschaft zusammen aber es dauert eben." Tatsächlich vergingen fünf Jahre, bis die Forscher 1991 den Durchbruch in der Zeitschrift SCIENCE vermeldeten: Der von ihnen entwickelte Chip registrierte Veränderungen des elektrischen Felds in seiner unmittelbaren Umgebung, ausgelöst durch die Erregung einer Nervenzelle.

Wie sich Chip und Zelle näher kommen

Die Wissenschaftler waren einen harten, steinigen Weg gegangen. Statt an gerade aktuelle Methoden anzuknüpfen, entwickelte das Team um Fromherz in akribischer Feinarbeit seine eigenen, grundlegenden Techniken. So bastelten im "Labor Fromherz" zum einen Doktoranden an Halbleiterchips, zum anderen wurden Blutegel gezüchtet und die Handhabung ihrer Nervenzellen trainiert. Diese so genannten Retzius- Neurone schienen den Forschern besonders geeignet, weil sie eine für Nervenzellen geradezu gigantische Größe von 50 Mikrometern erreichen und sich somit leicht auf die Halbleitermikrostrukturen platzieren lassen.

Das Hauptproblem war es, das Neuron effektiv an den Chip zu koppeln und damit die "Lötstelle" zu optimieren. Weil sie mit verschiedenen Ladungsträgern arbeiten, lässt sich vom Chip zum Neuron oder umgekehrt kein Strom schicken. Die elektrischen Signale können, wie FASZINATION Forschung schon erwähnt, nur durch elektrische Felder übertragen werden - und das wiederum nur dann, wenn sich Zelle und Chip sehr nahe kommen. "Am liebsten hätten wir die Zellmembran direkt auf dem Chip", sagt Peter Fromherz. Tatsächlich aber beträgt der Abstand immer noch 50 Nanometer, also 50 Millionstel Millimeter. Das ist weniger als ein tausendstel Haardurchmesser, und doch in der Nanowelt des Biophysikers Fromherz eine große Distanz.

Sie zu messen ist eine Kunst. Nur mit einem gehörigen Maß an Einfallsreichtum dringen die Forscher in solche Dimensionen vor. Mittels der so genannten Fluoreszenz-Interferenz- Kontrast-Mikroskopie (FLIC) haben es Fromherz und seine Mitarbeiter vor vier Jahren geschafft. Dabei nutzten die Wissenschaftler Farbstoffmoleküle als Antennen, um die Distanz von Zellmembran und Siliziumchip zu bestimmen: Auf die Oberfläche des Chips setzten sie mikroskopische Oxidterrassen mit einer Stufenhöhe von etwa 20 Nanometern. Darauf wurden neuronale Zellen kultiviert, deren Membran mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert worden war.

Von Stufe zu Stufe: Wann geht das Gehirn online?
Die Fluoreszenzintensität hängt wie die Wissenschaftler zeigten von der Höhe der Terrassen ab. Während eine "nackte" Lipidmembran mit einem Abstand von etwa einem Nanometer direkt auf dem Siliziumdioxid sitzt, trennt die neuronale Zellmembran und der Mikrochip ein bis zu 100 Nanometer dicker Elektrolytfilm. Bisher scheiterten die Forscher daran, den Abstand zwischen der Zellmembran und dem Chip unter die besagten 50 Nanometer zu drücken. Peter Fromherz vermutet, dass die Ursache in der entropischen Kraft von Proteinmolekülen liegt, die einerseits in der Zellmembran verankert sind und mit denen andererseits der Mikrochip beschichtet wird, um ein Wachstum der Zellen zu garantieren.

Peter Fromherz ist ein Grundlagenforscher par excellence

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Peter Fromherz ist ein Grundlagenforscher par excellence. In seinem Labor versucht er, die theoretischen Konzepte und experimentellen Methoden von Mikroelektronik, Festkörperphysik, Elektrochemie sowie von Molekular- und Neurobiologie miteinander zu vereinen (FOTOS: V. STEGER).

Da die Forscher den Abstand nicht verringern konnten, blieb ihnen nur, Chips und Zellen zu verbessern. Ersteres ist Halbleitertechnologie, das zweite Gentechnik. In eigenen Reinräumen prozessierten die Martinsrieder 100-Millimeter-Reinstsiliziumscheiben zu speziellen, ein Quadratzentimeter großen Chips. In einem Ofen ließen sie auf einer Siliziumscheibe, dem Wafer, eine zehn Nanometer dünne Schicht aus Siliziumdioxid wachsen. Sie schützt das Reinstsilizium vor Korrosion und isoliert die Scheibe elektrisch. An diese Schutzschicht können die Nervenzellen so dicht angesiedelt werden, dass die Transistoren im Chip das elektrische Feld der Nervenzelle erfassen.

In Modellversuchen bauten die Wissenschaftler dann Kaliumkanäle in die Zellmembranen ein: Dazu übertrugen sie die Bauanleitung für das Kanalprotein, die rekombinante DNA, in die Zellen und kultivierten diese auf einem Chip mit offenen Transistoren. Ein im Mikrochip ausgelöster Spannungspuls öffnete die spannungsgeschalteten Ionenkanäle in der Zellmembran und löste einen Strom (Aktionspotenzial) aus. Eine genauere Analyse der Versuchsdaten zeigte, dass die Kanäle bevorzugt in die Kontaktregion eingebaut werden und zwar mit einer um eine Größenordnung höheren Dichte als in der freien Membran. Wenn die Zelle aktiv ist, fließt jetzt mehr Strom, was zu einer stärkeren Kopplung führt. "Es ist faszinierend, in einem einzigen Experiment die beiden Basistechnologien der Gegenwart zu verbinden", schwärmt Fromherz, "und dabei die direkte Wechselwirkung der beiden fundamentalen elektrischen Strukturen in Hirn und Computer Ionenkanäle der Zellmembran und Elektronenkanal eines Transistors zu beobachten."

Mikroskopischer Lauschangriff

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Mikroskopischer Lauschangriff: Schnecken-Neurone - jedes eingepfercht von einem Ring mikroskopischer Pflöcke - bilden untereinander ein Mini-Netzwerk, das vom Chip aus "abgehört" werden kann (FOTO: MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR BIOCHEMIE-FROMHERZ).

Der Schritt vom Zuhören zum Dialog, also die Signalübertragung in umgekehrter Richtung vom Chip zum Neuron, gelang erstmals 1995 und rückte den eher zurückhaltenden Max-Planck-Forscher ins Rampenlicht der internationalen Presse: "Neuron talks to chip, and chip to nerve cell", titelte zum Beispiel die NEW YORK TIMES. Von da an konnte sich Fromherz über mangelnde Aufmerksamkeit der Medien nicht mehr beklagen. Allerdings ist vieles, was über ihn geschrieben wird, mehr "Fiction" als "Science" und hat mit seinem Forschungsalltag wenig gemein. Die Vision eines im Gehirn implantierten Chips, der Wahrnehmung und Bewusstsein willkürlich steuert, mag ein phantastischer Stoff für Kinofilme wie "Matrix" sein doch die Wissenschaft ist weit davon entfernt.

Was also ist das Ziel? "Wir wollen die Dynamik der Gedächtnisbildung von neuronalen Netzwerken studieren. Man weiß sehr viel darüber, wie einzelne Neuronen und Synapsen arbeiten, dagegen gibt es zur Frage, wie die dadurch bestimmte Dynamik eines neuronalen Netzes funktioniert, zwar viele Theorien, aber kaum Experimente. Wir versuchen gegenwärtig in einem nächsten Schritt, auf geeignet konstruierten Halbleiterchips kultivierte neuronale Netze zu erzeugen", sagt Fromherz.

Weil die bereits etablierten Blutegel- Neurone in Kultur untereinander keine synaptischen Kontakte knüpfen, mussten sie den Nervenzellen der Schlammschnecke Lymnaea stagnalis weichen. Die Schnecken- Neurone sind ebenfalls ausreichend groß, um sie einzeln auf einem Chip zu platzieren und da sie in Kultur effiziente elektrische Synapsen ausbilden kleine Netzwerke zu bauen. Nicht ganz unwesentlich: Solche kleinen Netze haben bei wirbellosen Tieren bereits eine biologische Funktion. Die Ausbeute bei der Suche nach Neuronenpaaren, bei denen alle drei Kopplungen existierten vom Silizium zum Neuron, vom Neuron zum Neuron und schließlich vom Neuron zum Silizium war zunächst jedoch sehr gering. Ein Grund war, dass die Zellen durch die Kräfte der wachsenden Fortsätze von den Halbleiterstrukturen weggezogen wurden. Dieses Problem haben die Forscher inzwischen gemeistert: Um die Zellen auf dem Mikrochip an Ort und Stelle zu halten, haben sie die einzelnen Nervenzellen mit mikroskopisch kleinen "Pflöcken" aus Polyimid umgeben, die mit einem photolithografischen Verfahren auf der Oberfläche der Chips erzeugt werden.

Günther Zeck bei der Arbeit am Mikroskop

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Günther Zeck, Mitarbeiter von Peter Fromherz, bei der Arbeit am Mikroskop. Die Fluoreszenzaufnahme zeigt den Kontakt einer mit Cyaninfarbstoff angefärbten neuronalen Gliazelle auf einem Siliziumchip mit quadratischen Terrassen aus Siliziumdioxid (FOTOS: V.  STEGER).

Alle bisherigen Erkenntnisse beziehen sich auf einzelne Nervenzellen - aufgebracht auf einem sauberen Chip in einem definierten Wachstumsmedium; ein solcher Chip hält viele Monate. In einem Gewebe dagegen ist alles anders. Fromherz und seine Mitarbeiter haben dünne Schnitte von Rattenhirn angefertigt und diese auf die Chips gebracht; der Chip kontrolliert und beobachtet also die im Gehirn gewachsenen Netze. Auch damit konnten die Forscher mittlerweile einen entsprechenden Signalbogen Silizium-Hirn-Synapse - Hirn-Silizium realisieren.

Eine zukunftsträchtige Strategie sieht vor, den Chip mit deutlich mehr Kontaktstellen zu belegen. Dann könnten die kultivierten Zellen auf dem Chip wandern und wären dennoch immer auf einer aktiven Stelle. In einem Hirnschnitt ließen sich detailreiche Karten elektrischer Aktivität auslösen und beobachten. Bisher arbeiteten die Max-Planck- Forscher mit selbstgebauten Chips, auf denen Reihen von bis zu 128 Transistoren sitzen.

Grundlagenforscher mit Industriekontakt

In Zusammenarbeit mit der Zentralen Forschungsabteilung der Firma Infineon haben sie jetzt einen neuartigen Mikrochip entwickelt, bei dem die Transistoren flächig angeordnet sind: Auf einem Quadratmillimeter Chipfläche befinden sich nun 128 mal 128, also insgesamt 16384 Transistoren. Der Abstand zwischen den Transistoren beträgt acht tausendstel Millimeter und ist damit deutlich kleiner als der Durchmesser der Schnecken-Neurone. Mit diesem Neurochip wird es in den kommenden Jahren gelingen, sowohl dicht gewachsene neuronale Netze in Kultur wie auch Hirnschnitte zu untersuchen.

Ob es jemals Neurocomputer geben wird? An solchen Spekulationen mag sich Peter Fromherz nicht beteiligen: "Was sind schon einige wenige Schnecken-Neuronen verglichen mit dem menschlichen Gehirn?" Wohl wahr: Im menschlichen Gehirn gibt es schätzungsweise an die 100 Milliarden Nervenzellen, und jede einzelne kann mit bis zu 10000 anderen über ihre Kontaktstellen kommunizieren das sind mehr als 100 Billionen Synapsen, die da miteinander verschaltet werden. Gemessen an der ungeheuren Komplexität in unserem Kopf nimmt sich das Hybridsystem der Martinsrieder Forscher aus Mikrochip und Weichtier-Neuronen tatsächlich sehr bescheiden aus. Aber kleine Schritte sind oft der Anfang einer großen Reise.