Virtuelle Realität für Labormäuse

Um live zu beobachten, wie das Gehirn beim Navigieren durch neue Umgebungen arbeitet, schufen Wissenschaftler computergenerierte Welten für Nager.

Forscher können mittlerweile die Gehirne von Labortieren in Echtzeit auf mikroskopischer Ebene beobachten. Ein bildgebendes Verfahren namens Two-Photon-Imaging erlaubt Neurowissenschaftlern sogar, Tausende Nervenzellen gleichzeitig bei der Arbeit zuzuschauen und zu sehen, wie sie Informationen codieren. Das Problem: Bei der Technik muss der Kopf des Versuchsobjekts fixiert werden – und in diesem Zustand macht und "denkt" das Tier wenig Erforschenswertes.

Eine kreative Lösung für dieses Problem bietet die virtuelle Realität – ein computergeneriertes Umfeld, das den Tieren über ein Headset vor die Augen projiziert wird. Vor einigen Jahren begannen Forscher auch schon, winzige VR-Systeme für Mäuse zu entwickeln, die diesen vorspielte, dass sie sich durch ein Labyrinth bewegen, während sie eigentlich mit festgeschnalltem Kopf auf einem großen Ball herumwanderten.

Bislang liefen die Tiere aber nicht sofort los – Wochen des Trainings waren notwendig. Nicholas Sofroniew, der zusammen mit anderen Forschern am HHMI Janelia Campus in Virginia tätig ist, schuf nun ein virtuelles Labyrinth mit taktilem Feedback, das die Nager sofort verstehen – sie laufen ohne Training durch eigentlich nicht vorhandene Korridore. Zusammen mit seinem Forscherkollegen Jeremy Freeman erweitert Sofroniew gerade die Komplexität des Systems.

Die Mäuse-VR-Welt funktioniere deshalb so gut, weil sie sich daran orientiere, wie sich Nager in der Natur bewegen, erläutert Freeman. Statt nur auf ihre Augen zu setzen, nutzen die Tiere nämlich besonders stark ihre Tasthaare, um ihre Umwelt zu erfassen.

In der von Freeman und Sofroniew entwickelten virtuellen Welt bewegen sich so unter anderem die Wände, was den Tieren den Eindruck vermittelt, durch lange Korridore mit vielen Kurven zu laufen. Der Kopf bleibt die ganze Zeit stationär.

Karel Svoboda, leitender Forscher bei dem Projekt, meint, das Team habe bereits herausgefunden, dass unterschiedliche Nervenzellen aktiv werden, je nachdem, wie weit der Kopf der Maus von einer Wand entfernt ist. Das Gehirn scheint den Input der Tasthaare in eine direkt wahrnehmbare Realität umzusetzen.

Das bildgebende Verfahren Two-Photon-Imaging, an dem Svoboda selbst mitgearbeitet hat, basiert auf fluoreszierenden Proteinen, die eigentlich von Quallen stammen. Die Forscher veränderten die Mäuse genetisch so, dass ihre Nervenzellen dieses Protein produzieren – und zwar in einer Form, die aktiv wird, wenn sie Kalziumionen ausgesetzt wird. Nervenzellen kommunizieren über die Weitergabe von Kalziumionen, entsprechend leuchten die markierten Neuronen im Konzert mit der Hirnaktivität auf. Um zu sehen und aufzuzeichnen, was genau passiert, ersetzen die Forscher einen Teil des Schädels der Tiere durch ein kleines Fenster.

Forscher konnten schon lange Nervenzellen über Elektroden "abhören", sagt Svoboda. Doch das sei so, als würde man bei einer Symphonie nur ein einzelnes Instrument wahrnehmen. Nun lassen sich Informationsflüsse durch das Gehirn nachvollziehen, während die Maus lernt, mit einer neuen – in diesem Fall virtuellen – Umwelt umzugehen.

Obwohl sich der Mäusekopf nicht bewegt, erlebt er doch "aktive" Empfindungen, wie Svoboda das ausdrückt. "Wir machen das auch, wenn wir unsere Augen bewegen, um unsere Umgebung wahrzunehmen." Der Nagerkörper arbeitet ähnlich, doch er nutzt die Tasthaare zum Erfühlen der Umwelt. Das Mäusegehirn scheint unter anderem Nervenzellbündel zu nutzen, die Entfernungen repräsentieren.

Letztlich wollen die Forscher im Rahmen ihrer Arbeit verstehen, wie das Gehirn Informationen verarbeitet. Das könnte neue Erkenntnisse etwa über die Entstehung von Autismus bringen. "Wir wollen schlicht alles wissen, was das Gehirn in den Bereichen Erfühlen, Lernen und Entscheiden macht", sagt Freeman. Wäre der Lernmechanismus einmal decodiert, ließe sich auch erforschen, was Intelligenz eigentlich ausmacht. (bsc)