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Michael Brecht

Bernstein Zentrum Berlin,
Humboldt-Universität zu Berlin

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Im Jahr 2006 trat Michael Brecht die Professur "Tierphysiologie/Systemneurobiologie und Neural Computation" an, die am Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience Berlin angesiedelt ist. Die Professur wird in den ersten fünf Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert und anschließend von der Humboldt-Universität zu Berlin weitergeführt.

Einzelne Zellen im Kontext des Gehirns

Wie eine einzelne Nervenzelle funktioniert, weiß man aus Experimenten in Gewebeschnitten oder in Zellkulturen schon recht gut. Den Beitrag einzelner Zellen zu der Gesamtfunktion des Gehirns konnte man aber bisher wegen der enormen Komplexität dieses Organs nur schwer untersuchen. So kann man zwar schon länger im intakten Gehirn neuronale Aktivität mit extrazellulären Methoden gewissermaßen von außen abhorchen, aber fehlte es an Möglichkeiten, die Aktivität einzelner Zellen zu manipulieren und mit intrazellulären Verfahren genau zu beschreiben. „Bisher waren Untersuchungen zellulärer Vorgänge in Hirnschnitten und Analysen zellulärer Aktivität auf der Ebene des lebenden Gehirns zwei getrennte Welten“, sagt Michael Brecht. Der Brückenschlag zwischen diesen Welten ist ein Kernbereich seiner Arbeit. „Uns geht es darum, die Einzelzellfunktion im systemischen Kontext des Gehirns zu verstehen“, so Brecht. Was spielt die einzelne Zelle, eingebunden in dieses komplexe Netzwerk, eigentlich für eine Rolle? Was kann sie bewirken? Brecht, derzeit noch an der Erasmus Universität Rotterdam, hat den Ruf auf die Professur „Tierphysiologie/Systemneurobiologie und Neural Computation“ am Bernstein Center for Computational Neuroscience in Berlin angenommen und wird ab Herbst 2006 am Institut für Biologie der Humboldt-Universität zu Berlin forschen und lehren.

Schon in seiner Diplomarbeit an der University of California interessierte sich Brecht für die neuronalen Grundlagen von Verhalten. In seiner Promotion bei Wolf Singer am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt widmete er sich Fragen der zeitlichen Kodierung im Mittelhirn der Katze. Von 1999 bis 2004 leitete er eine unabhängige Forschungsgruppe in der Abteilung von Bert Sakmann am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg und wurde nach seiner Habilitation 2004 „Assistant Professor“ im Neuroscience Department des Medical Centers der Erasmus Universität Rotterdam.

In seiner Diplomarbeit widmete Brecht seine Forschung dem Tastsinn der Ratte und kehrte nach seiner Promotion zu diesem Thema zurück – wegen der „Eleganz des Systems“, wie er sagt. In den Regionen der Hirnrinde, die taktile Reize verarbeiten und die Bewegung der Tasthaare steuern, ist jedes Tasthaar durch eine leicht zu identifizierende Zellgruppe repräsentiert. Das macht den Tastsinn zu einem sehr guten System, um Struktur-Funktionsbeziehungen zu untersuchen. Darüber hinaus sind Tastbewegungen sehr einfach, verglichen zum Beispiel mit der Bewegungskoordination von Armen oder Fingern - die Tasthaare können nur vorwärts oder rückwärts bewegt werden. Diese einfachen Bewegungen können sehr genau quantifiziert werden. „Aus einer Kombination von zellulären Daten und Messungen am lebenden Gehirn kommt man in den letzten Jahren langsam zu einer quantitativen Beschreibung des ganzen Netzwerks. So etwas gibt es in anderen Hirnregionen noch nicht“, sagt Brecht.

In Untersuchungen am lebenden Tier hat Brecht zum Beispiel erforscht, was eine einzelne Zelle zum Bewegungsprogramm der Tasthaare beisteuern kann. „Es war eine unausgesprochene Annahme, dass die Aktivität von sehr großen Gruppen von Zellen nötig ist, um eine Bewegung auszulösen“, so Brecht. Aus verschiedenen Experimenten aber hatten Brecht und seine Mitarbeiter gute Hinweise darauf, dass die Zellen des Motorkortex, der Hirnregion, die Bewegungen steuert, sehr viel weniger Aktivität zeigen, als man bis dahin angenommen hatte. Diese Beobachtung veranlasste sie zu der Annahme, dass die Aktivität einzelner Zellen wesentlich bedeutungsvoller sein könnte, als vermutet. Sie reizten einzelne Zellen im motorischen Kortex und konnten feststellen, dass dadurch in der Tat ein Bewegungsprogramm ausgelöst werden kann – die Ratten bewegten ihre Tasthaare. „Im Vibrissenmotorkortex gibt es über eine Million Zellen – da ist es schon erstaunlich, dass das Tier auf eine geringe Aktivität in einer einzelnen Zelle mit einer deutlich sichtbaren und komplexen Bewegung reagiert“, so Brecht.

Um einzelne Zellen im Gehirn gezielter als bisher untersuchen zu können, nutzt Brecht moderne Technologien der Mikroskopie und hat diese weiterentwickelt. Klassische neurophysiologische Experimente am lebenden Tier sind „blind“ – die Wissenschaftler stimulieren Zellen oder leiten von ihnen ab, ohne zu wissen, welchen Zelltyp sie gerade untersuchen. Identifizieren können sie Zellen nicht oder nur im Nachhinein, wenn sie die Zelle markieren und anschließend im Gehirnschnitt analysieren. Das Verfahren ist mühsam, Untersuchungen von selteneren oder kleineren Zellen sind gar nicht möglich. Mit Hilfe der Zwei-Photonen Mikroskopie lassen sich fluoreszensmarkierte Zellen direkt im Gehirn – im lebenden Gewebe – identifizieren. Diese Technologie hat Brecht mit Methoden der Neurophysiologie kombiniert und das „two-photon targeted patching“ (TPTP) entwickelt. TPTP erlaubt, gezielt die Aktivität von markierten Zellen im lebenden Gehirn zu messen. „An Gehirnschnitten macht man solche Experimente mit unter dem Mikroskop identifizierten Zellen nun schon seit etwa zehn Jahren. Für die zelluläre Gehirnphysiologie war es revolutionär, dass man die Aktivität bestimmter Zellen gezielt registrieren konnte – man konnte auf einmal eine ganz andere Sorte von Experimenten machen“, so Brecht. „Wir hoffen, dass das TPTP auch ein ähnliches Potential hat und neue experimentelle Möglichkeiten für die Untersuchung des intakten Gehirns eröffnet.“

 

Kontakt




Prof. Dr. Michael Brecht
Bernstein Zentrum Berlin

Humboldt-Universität zu Berlin

Philippstr. 13, Haus 6

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Tel: +49 (0)30 2093 6718
Email: michael.brecht@bccn-berlin.de

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