18.11.2009 von PaulWutz.

Presseinformation der LMU München vom 16.11.2009

Nervenzellen mit Licht an- und ausschalten

Informationen werden im Gehirn übermittelt, indem ein Neuron durch einen Reiz elektrisch angeregt wird und die Erregung an benachbarte Nervenzellen weiterleitet. Dieses elektrische Potenzial wird ausgelöst, wenn geladene Ionen durch Kanäle in der Zellmembran geschleust werden. Auch bei der Übermittlung von Sinnesreizen im Auge sind Ionenkanäle von Bedeutung. Nun haben Wissenschaftler um den LMU-Chemiker Professor Dirk Trauner einen Mechanismus entdeckt, mit dem sie Ionenkanäle in Sinnesrezeptoren mithilfe von Licht gezielt steuern können. Durch die sogenannte Cis-Trans-Isomerisierung gelang es den Forschern, Kaliumkanäle in Nervenzellen des Auges wiederholt an- und auszuschalten. Dieses Ergebnis – das im Fachmagazin „Angewandte Chemie“ als „hot paper“ veröffentlicht wurde – könnte die Grundlage für die Entwicklung lichtmodulierter Arzneistoffe sein, etwa für die Therapie bestimmter Formen der Blindheit und von Herzerkrankungen. (Angewandte Chemie International Edition, 16. November 2009).

In der Krebstherapie kommen sogenannte photodynamische Therapien schon seit einiger Zeit zum Einsatz: Dabei reichert sich eine lichtempfindliche Substanz im Tumorgewebe an. Eine Bestrahlung mit Licht aktiviert dann das Medikament, welches das Tumorgewebe gezielt zerstört. Aber auch bei Nerven- und Sinneszellen könnte eine gezielte Regulierung durch Licht medizinische Behandlungsansätze liefern – etwa zur Behandlung bestimmter Augenkrankheiten. „Die Ionenkanäle in den Nervenzellen des Auges sind wichtig für den Prozess des Sehens“, sagt Professor Dirk Trauner vom Department Chemie und Biochemie und vom Exzellenzcluster „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) der LMU. „Nur wenn die Kanäle aktiviert werden, werden die im Auge eintreffenden Informationen an die nächste Nervenzelle und schließlich bis ins Gehirn weitergeleitet.“

Eine besonders wichtige Rolle kommt dabei Kanälen zu, die den Durchtritt von Kalium- oder Natriumionen erlauben. Dem Team um Trauner gelang bereits letztes Jahr der Nachweis, dass ein Molekül aus der chemischen Gruppe der Azobenzene, das sogenannte AAQ, die Kaliumkanäle von Nervenzellen empfindlich auf Lichtreize reagieren lässt. Nun konnte der Biochemiker in Zusammenarbeit mit Forschern der University of California in Berkeley, USA, den Wirkmechanismus der Lichtsensitivität aufklären. „Entscheidend ist dabei, dass das AAQ-Molekül in zwei verschiedenen räumlichen Formen vorliegen kann“, so Trauner. „Wir konnten nun beobachten, dass AAQ in die Neuronen eindringt und am Kaliumkanal dort bindet, wo die Ionen im Normalfall vorbeifließen.“ In der Trans-Konfiguration blockiert das Molekül dann den Ionenkanal, während es in der Cis-Konfiguration den Kanal öffnet – und so den Kaliumionen den Durchtritt erlaubt.

Bemerkenswert ist zudem, dass AAQ auch an natürlich vorkommende Ionenkanäle bindet, während alle bisher verwendeten lichtsensitiven Moleküle nur an genetisch veränderte Moleküle andocken können. Auch die Konfiguration des Moleküls lässt sich regulieren: Die Cis-Form nimmt AAQ bevorzugt bei langwelligem Ultraviolettlicht an, während es bei grünem Licht in die Trans-Form übergeht. Damit ließen sich in Zukunft möglicherweise auch Arzneistoffe entwickeln, die sich durch Licht einer bestimmten Wellenlänge aktivieren lassen. Derart lichtempfindliche Arzneistoffe könnten etwa dazu beitragen, bestimmte Formen der Blindheit wie die Makuladegeneration zu behandeln. „Bei diesem häufigen Leiden sterben die lichtsensitiven Zellen der Netzhaut ab, während die nachgeschalteten Neuronen noch funktionsfähig sind. „Denkbar ist, diese retinalen Ganglienzellen durch lichtsensitive Substanzen anzuregen – und so die Sehfähigkeit wiederherzustellen“, meint Trauner. „Aber das ist im Moment natürlich noch Zukunftsmusik.“

Bislang konnten die Forscher nur das Prinzip aufklären, das möglicherweise aber auch andere Anwendungsfelder in der Medizin eröffnet. Denn auch Kalzium- und Natriumkanäle ähneln den Kaliumkanälen in der Struktur und Funktion. Sollten sie diese Übereinstimmungen für vergleichbare Anwendungen zugänglich machen, könnte dies bei der Behandlung von Herzerkrankungen von Nutzen sein – wenn lichtsensitive Moleküle gezielt Kalziumkanäle der Herzmuskelzellen öffnen und schließen. Doch jede dieser potenziellen therapeutischen Anwendungen lässt sich nur realisieren, wenn die fraglichen Moleküle sehr selektiv wirken: Die lichtempfindlichen Substanzen dürfen nur an bestimmte Ionenkanäle in bestimmten Zelltypen binden. Trauner und sein Team wollen diese selektive Wirksamkeit nun in weiteren Studien untersuchen. (CA/suwe)

Publikation:
„Photochromic blockers of voltage-gated potassium channels”;
Matthew R. Banghart, Alexandre Mourot, Doris L. Fortin, Jennifer Z. Yao, Richard H. Kramer, Dirk Trauner;
Angewandte Chemie International Edition, Vol. 48, Issue 48, S. 9001-9101,
16 November 2009
DOI: 10.1002/anie.200904504

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Geschrieben in Chemie, Hochschule | Comments Off

16.11.2009 von PaulWutz.

Pressemitteilung der TU München vom 12.11.2009

Neuartiges Verfahren zur Vorbereitung von Hüftgelenk-Operationen

Mehr als eine Million Menschen im Jahr erhalten ein künstliches Hüftgelenk. Doch die Prognosen in der OP-Vorbereitung sind noch immer oft unzureichend. Ein hoher Prozentsatz der Patienten leidet deshalb an Spätfolgen des Eingriffs. Bereits geringe Abweichungen von der optimalen Form und Position der Prothese können zu einer Belastung des Knochens führen, die Entzündungen hervorruft oder langfristig Knochenschwund bewirkt. Ein interdisziplinäres Team aus Ingenieuren, Informatikern und Medizinern an der fachübergreifenden International Graduate School of Science and Engineering der Technischen Universität München (TUM) hat nun eine Methode entwickelt, um diese Risiken zu minimieren: ein virtuelles Prothese-Knochen-Modell.

Das Verfahren soll es künftig erlauben, exakte räumliche Computertomographie-Bilder (CT-Bilder) der Knochen jedes Patienten in ein Rechenmodell einzuspeisen und dann am Bildschirm zu testen: Welches Implantat passt optimal? Wie trägt der Knochen das Körpergewicht am besten? Und wie sollte die Prothese, dazu passend, angebracht werden? „Mit der neuen Simulationsmethode können wir Knochen und Prothese am Bildschirm nach Belieben mit Gewicht belasten und ihre Stellung zueinander verändern“, sagt der Projektleiter Dr. Martin Ruess, Ingenieur am TUM-Lehrstuhl für Computation in Engineering von Professor Ernst Rank.

Bislang arbeiten Mediziner bei der Vorbereitung solcher Operationen mit Röntgenbildern oder in Ausnahmefällen mit Styropor-Modellen der Knochen, die sie auf der Grundlage von CT-Bildern fräsen. An diesen Modellen lassen sich die realen Kräfteverhältnisse jedoch weder ablesen noch testen. Kraftflüsse werden zwar auch heute schon am Computer berechnet, allerdings nur für Entwicklungszwecke, wenn zum Beispiel ein neuer Typ eines künstlichen Hüftgelenks entwickelt werden soll. Eine rechnergestützte optimale Prothesen-Anpassung für einen einzelnen Patienten scheitert daran, dass allein die Aufbereitung der Daten aus dem Computertomogramm für eine einzelne Berechnung viele Stunden beansprucht und damit für die Operationsvorbereitung nicht infrage kommt.

Anders erstmals in den Computermodellen der TUM-Wissenschaftler: Sie entwickeln Verfahren, die eine Kräfteverteilung direkt nach der Tomographie in Sekundenschnelle berechnen. Damit das virtuelle Modell der Informatiker der physischen Realität entspricht, wird die Software mit Daten aus realen Knochen-Belastungstests gefüttert. Diese steuert ein Team um Privatdozent Dr. Rainer Burgkart, den Leiter der orthopädischen Forschung und Lehre am Klinikum rechts der Isar bei. Um die interaktive „virtuelle Operation“ und die verständliche Darstellung der Simulationsergebnisse kümmern sich Mitarbeiter des Lehrstuhls für Computer Graphik and Visualisierung von Professor Rüdiger Westermann. „Das System soll es schließlich einmal Ärzten erlauben, vor oder sogar während der Operation am Computer in Echtzeit auszuprobieren, wie die Hüftgelenksprothese beim Patienten am besten eingebracht wird“, sagt Projektleiter Ruess.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Geschrieben in Informationstechnologie, Hochschule | Comments Off

13.11.2009 von PaulWutz.

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom November 2009

Dreidimensionale Computergrafiken halten Einzug ins Museum: Kunstgegenstände sollen in einem digitalen Archiv räumlich dargestellt werden. Das erleichtert Forschern die Suche nach ähnlichen Museumsexponaten und bietet Laien eine faszinierende 3-D-Schau.

Wer keine Zeit hat, nach Florenz zu reisen, der kann sich Michelangelos David-Statue im Internet anschauen. Dort rotiert David lebensecht in 3-D um seine Achse. Das lässt erahnen, was Forscher derzeit im europäischen Verbundprojekt 3D-COFORM entwickeln: ein virtuelles Archiv für Kunstgegenstände der Welt, das das museale Erbe der Menschheit digitalisieren soll. Vasen, historische Speere oder gar ganze Tempel lassen sich dreidimensional darstellen. Museumsbesucher werden damit in einigen Jahren römische Amphoren am Bildschirm drehen oder um Tempel herumfliegen können. Die virtuelle Sammlung wird vor allem Wissenschaftlern die Suche nach Vergleichsobjekten erleichtern, die von denselben Künstlern oder Völkern stammen oder vergessen in Museumskellern lagern. Das Archiv soll intelligent sein und die gespeicherten Objekte allein finden und verknüpfen. Auf Befehle wie »Zeige mir griechische Vasen aus dem sechsten Jahrhundert vor Christus mit mindestens zwei Henkeln« wird die Datenbank Exponate aus verschiedensten Sammlungen der Welt präsentieren.

Heute sind gedruckte Kataloge mit Fotos oder schriftliche Beschreibungen von Objekten Standard. Doch die Dreidimensionalität bietet große Vorteile, denn ein 3-D-Datensatz enthält den Blick auf alle Seiten des Objekts. Er liefert Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit oder den Zustand einer Farbe – wertvolle Daten für Restauratoren. Wie die David-Statue zeigt, gibt es schon heute eindrucksvolle 3-D-Animationen von Kunstobjekten. »Von einer sinnvollen Verknüpfung dreidimensionaler Daten verschiedener Objekte jedoch sind wir weit entfernt«, sagt Dr. André Stork, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in Darmstadt und Partner im 3D-COFORM-Konsortium.

Stork und sein Team generieren die 3-D-Modelle und bereiten sie für das digitale Archiv auf. »So ein 3-D-Scan ist nichts anderes als eine Wolke von Messpunkten. Erst durch Nachbearbeitung wird daraus ein echtes Abbild des Gegenstands«, sagt Stork. Die Forscher entwickeln Rechenvorschriften, die aus den Messdaten das eigentliche Objekt herauslesen. Sie müssen bestimmte Strukturen korrekt identifizieren – Arme von Statuen oder Säulen am Gebäude. Auch wiederkehrende Muster auf Vasen soll die Software erkennen. Zur virtuellen Präsentation gehört auch eine detailgetreue Darstellung: Das Abbild eines Tempels macht wenig Sinn, wenn man ihn nicht zusammen mit dem Schattenspiel seiner Säulen betrachten kann. Die Darmstädter kombinieren daher verschiedene Verfahren, um Lichteffekte zu simulieren.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Geschrieben in Forschungsgesellschaft, Informationstechnologie | Comments Off

11.11.2009 von PaulWutz.

Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 10.11.2009

Wenn Löcher die Sicht versperren

Metalle sind bekanntlich undurchsichtig: Sie reflektieren Licht fast vollständig. Deshalb kann man sie auch als Spiegel verwenden. Macht man die Metallschicht sehr dünn, werden die Spiegel halbdurchlässig. Solche Materialien werden beispielsweise als „Spionspiegel“ zur Tarnung von Überwachungs­kameras eingesetzt. Man könnte vermuten, dass Löcher in einer dünnen Metall­schicht die Sicht verbessern würden. Genau das Gegenteil ist der Fall. Wie Physiker der Universität Stuttgart feststellten, können viele winzige Löcher das Metall undurchsichtig machen. Über die Ergebnisse berichtet die aktuelle Ausgabe der Physical Review Letters.

Bereits vor  etwa zehn Jahren entdeckten Physiker ein merkwürdiges Phänomen. Sie bohrten in einen lichtundurchlässigen dicken Metallfilm winzige Löcher, die deutlich kleiner waren als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Nach der klassischen Optik sollte das Licht weiterhin fast vollständig reflektiert werden. Durch die winzigen Löcher ging jedoch viel mehr Licht als erwartet. Diese Ent­deckung löste eine bis heute andauernde Lawine an neuen Untersuchungen aus. Normalerweise können Materialien nicht durchsichtig und elektrisch leitend sein. Die Physiker um Prof. Martin Dressel und Dr. Bruno Gompf vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart versuchten, einen dünnen Metallfilm so mit winzigen Löchern zu perforieren, dass er weiterhin Strom leitet und das Licht ungehindert durchlässt. Ihre Überraschung war groß, als sie genau den umgekehrten Effekt fanden. Perforiert man einen halbdurchlässigen Metallfilm mit einer periodischen Anordnung von winzigen Löchern, geht nicht mehr, sondern deutlich weniger Licht hindurch als zuvor. Und das, obwohl der Film danach fast zur Hälfte aus Löchern besteht. Die zusätzlichen Löcher versperren die Sicht.

Im konkreten Fall untersuchten die Stuttgarter Physiker die Trans­mis­sion durch einen etwa 20 Nanometer (nm) dicken Goldfilm. Ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter, und die Goldfilme sind damit nur ein paar Dutzend Atome dick. Die Filme wurden mit 200nm großen Löchern per­foriert, die einen regelmäßigen Abstand von 300nm hatten. Solche Schichten lassen sich heute mit üblichen lithographischen Verfahren, wie sie auch in der Halbleiterproduktion eingesetzt werden, großflächig herstellen. Die durch­löcher­ten Filme zeigen im sichtbaren und nahen infraroten Bereich, Frequenzen, bei denen das Licht stark absorbiert wird. Diese zusätzliche Absorption, die man von Metallen normalerweise nicht kennt, ist eine direkte Konsequenz des periodischen Lochmusters und hängt in erster Nähe­rung nur vom Abstand, nicht aber von der Größe der Löcher ab. Die Periodizität erlaubt kollek­tive Anregungen der Metallelektronen, der so genannten Plasmonen. Eine Besonderheit dieser Plasmonen ist, dass ihre Anregung stark vom Einfallswinkel des Lichts abhängt. Dreht man den Film ein wenig, ändert sich die Farbe der Plasmonen. Genau das wurde auch im Experiment beobachtet. In wieweit diese unerwartete optische Eigenschaft von Nanostrukturen gezielt für künftige Anwendungen genutzt werden kann, soll nun intensiv erforscht werden.

Veröffentlichung:
Julia Braun, Bruno Gompf, Georg Kobiela, Martin Dressel: „How holes can obscure the view: Suppressed transmission through an ultrathin metal film by a subwavelength hole array.” Physical Review Letters, 103, 203901 (2009)

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Geschrieben in Nanotechnologie, Hochschule | Comments Off

09.11.2009 von PaulWutz.

Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 04.11.2009

Wissenschaftler aus Freiburg haben herausgefunden, dass unterschiedliche Gehirnaktivitäten die gleiche Bewegung hervorrufen können

Es hängt sehr von den konkreten Umständen ab, wie viel Aufwand unser Gehirn für die Planung und Vorbereitung einer Bewegung treiben kann. Mal greift man nach einem Objekt, das vor einem auf dem Tisch steht – man kann die Bewegung gut vorbereiten. Mal greift man danach, wenn es überraschend herunter fällt – man muss schnell reagieren und hat keine Zeit, im Voraus zu planen. Bewegungen werden hauptsächlich im motorischen Cortex des Gehirns verarbeitet. Wissenschaftler um Jörn Rickert, Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience und Universität Freiburg, haben nun herausgefunden, dass identischen Bewegungen durchaus unterschiedliche neuronale Aktivitäten im motorischen Cortex zu Grunde liegen können – abhängig davon, wie gut die Bewegung geplant ist. Ihre Ergebnisse wurden in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift “Journal of Neuroscience” publiziert und sind unter anderem für die Entwicklung von hirngesteuerten Prothesen für schwerstgelähmte Patienten von Bedeutung.

Um zu untersuchen, wie das Gehirn unterschiedlich gut geplante Bewegungen steuert, analysierten die Wissenschaftler die Gehirnaktivität von Rhesusaffen. Die Daten hierzu wurden am Centre National de la Recherche Scientifique in Marseille erhoben. Die Tiere saßen vor einem Bildschirm mit sechs im Kreis angeordneten Schaltflächen, von denen sie jeweils eine bestimmte berühren sollten. In einer Variante des Versuchs wurde dem Affen schon eine Sekunde bevor er zur Greifbewegung ansetzte eindeutig angezeigt, welche der Schaltflächen er betätigen sollte – sie leuchtete grün auf. Ein Farbwechsel nach rot war dann das Signal für das Tier, danach zu greifen. In anderen Varianten des Experiments wurde zunächst nur die ungefähre Richtung der Bewegung angegeben – zwei oder drei nebeneinander liegende Schaltflächen leuchteten grün auf. Nach einer Sekunde wurde dann aber nur eine der Schaltflächen rot, der Affe musste dann nach dieser greifen. Dieses Vorgehen ließ das Tier für eine Sekunde lang in relativer Unsicherheit, was genau zu tun ist. Während des gesamten Versuchsdurchlaufs wurde die Aktivität einzelner Nervenzellen im motorischen Cortex des Affen gemessen.

Mit quantitativ-statistischen Methoden untersuchten die Wissenschaftler, wie gut die Bewegungsrichtung in verschiedenen Phasen des Versuchsablaufs aus der gemessenen Aktivität der Nervenzellen ermittelt werden kann. Sie stellten fest, dass die neuronale Codierung der Bewegung stark von der Menge der zur Verfügung stehenden Information abhängt. Wenn das Bewegungsziel vorher exakt bekannt ist, bereitet das Gehirn die Bewegung genau vor. Die Bewegungsrichtung lässt sich in diesem Falle schon vor Beginn der Bewegung – während der Planungsphase – aus der Aktivität der Neurone ablesen. Wenn das Ziel nicht genau bekannt ist, kann natürlich auch nicht so gut geplant werden. Umso akkurater aber arbeiten die Neurone dann während der Ausführung der Bewegung. “Der motorische Cortex plant die Bewegungen so früh wie möglich – sobald die dafür erforderliche Information vorhanden ist”, erklärt Rickert das Resultat. Eine Planungsunsicherheit wird später dadurch kompensiert, dass die Neurone während der Bewegung genauer rechnen.

Die Ergebnisse der Freiburger Wissenschaftler gehen unter anderem in die Entwicklung von “Brain Computer Interfaces” (BCIs) ein. Mithilfe von BCIs sollen Bewegungsinformation aus dem Gehirn ausgelesen werden, so dass schwerstgelähmte Patienten Kraft ihrer Gedanken Prothesen ansteuern können. “Unsere, wie auch andere Ergebnisse zeigen allerdings, dass es keine eindeutige Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und Bewegung gibt”, erklärt Rickert. Nicht nur die Planungssicherheit, sondern auch Aufmerksamkeit oder Motivation können die Bewegungscodierung stark beeinflussen. “Solche Faktoren müssen bei der Dekodierung von Bewegungen aus dem Gehirn und deren Anwendung auf Brain Computer Interfaces mit berücksichtigt werden”, so Rickert.

Originalveröffentlichung:
Jörn Rickert, Alexa Riehle, Ad Aertsen, Stefan Rotter und Martin Nawrot. Dynamic encoding of movement direction in motor cortical neurons. Journal of Neuroscience, 4. November 2009

Externer Link: www.uni-freiburg.de

Geschrieben in Informationstechnologie, Hochschule | Comments Off