Von der Grünalge zum Hirnschalter: Was hinter dem Medizin-Nobelpreis 2026 steckt

Den Nobelpreis für Medizin 2026 teilen sich Karl Deisseroth, Peter Hegemann und Georg Nagel. Ausgezeichnet wurden ihre Entdeckungen zu lichtgesteuerten Ionenkanälen und die Entwicklung der Optogenetik, einer Methode, mit der sich einzelne Nervenzellen im lebenden Gehirn millisekundengenau an- und ausknipsen lassen. Den Schalter lieferte eine einzellige Alge: Forscher fanden in ihr das Gen für das Protein Channelrhodopsin und schleusten es in Nervenzellen ein. Dass es ausgerechnet aus dem „Auge“ eines Einzellers stammt, ist kein Zufall und weist schon auf eine der spannendsten Anwendungen hin: die Wiederherstellung der Sehkraft.

Strom aus Licht

Zum Verständnis hilft ein genauer Blick auf die Nervenzelle. Sie kommuniziert mittels elektrischer Impulse. Im Ruhezustand ist das Zellinnere negativ geladen. Strömen positive Ionen wie Natrium von außen hinein, kippt die Spannung, die Zelle „feuert“ und reicht das Signal weiter. Normalerweise regeln spannungsgesteuerte Ionenkanäle das Geschehen.

Die Forscher suchten nach einer Methode, diesen Vorgang künstlich und gezielt auszulösen, ohne die Nachbarzellen zu stören. Die Lösung ist ein Protein, das zugleich Lichtsensor und Ionenkanal ist. Es enthält das Molekül Retinal. Trifft blaues Licht darauf, verbiegt sich das Protein, und die Pore öffnet sich. Positive Ionen strömen, dem elektrochemischen Gefälle folgend, hinein; die Zelle feuert. Geht das Licht aus, schließt sich der Kanal wieder.

Die Idee, Nervenzellen mit Licht zu steuern, ist älter als die Technik. Francis Crick, Mitentdecker der DNA-Doppelhelix, träumte von einem Werkzeug, das nur einen einzigen Zelltyp im Gehirn an- oder ausschaltet. Das ideale Signal wäre Licht, räumte er selbst ein, auch wenn die Idee „weit hergeholt“ klinge. Frühe Versuche ab 1971 mit Laser und Farbstoffen schädigten die Zellen. Spätere Ansätze mit mehreren kombinierten Proteinen oder chemischen Photoschaltern an Ionenkanälen waren entweder zu langsam oder zu umständlich. Gesucht war ein einziges, per Gen einschleusbares Protein, das Licht direkt in Ionenstrom verwandelt.

Das Algenauge

Den Grundstein legte Peter Hegemann Anfang der 1990er-Jahre am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. Ihn faszinierte die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, die zielstrebig auf Lichtquellen zuschwimmt. Navigiert wird sie von einem Augenfleck, einem winzigen orangefarbenen Punkt auf der Zelloberfläche, in dem das lichtfangende Retinal sitzt. Mit Mini-Elektroden konnte Hegemann feststellen, dass schon eine halbe Millisekunde nach dem Lichtreiz ein elektrischer Impuls auftritt. Im menschlichen Auge läuft dagegen eine mehrstufige Signalkette ab, die mindestens zehn Millisekunden braucht, also mehr als 20-mal länger. Hegemanns Verdacht: Bei der Alge erledigt ein einziger Proteinkomplex beides, Licht einfangen und Kanal öffnen. Dafür erntete er zunächst Skepsis, denn einen Ionenkanal, der allein auf Licht reagiert, kannte bis dahin niemand.

Das Protein dingfest zu machen, war eine Geduldsprobe, denn außerhalb der Zelle zerfällt es schnell. Um die Jahrtausendwende kam der Durchbruch: Japanische Forscher veröffentlichten eine Datenbank mit Genfragmenten der Alge, und Hegemanns Team fand darin zwei Gene, die bekannten Lichtfängern ähnelten. Für den nächsten Schritt holte er sich Georg Nagel vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt ins Boot, einen Experten für Ionenkanäle. Nagel schleuste die Gene in Froscheizellen ein, die daraufhin die Proteine in ihre Membran bauten. So bewies er, dass es sich tatsächlich um lichtgesteuerte Ionenkanäle handelt: Channelrhodopsin-1 und Channelrhodopsin-2 (ChR2). ChR2 öffnete sich schon nach 0,2 Millisekunden, positive Ionen strömten hinein. Auch in menschlichen Nierenzellen erzeugte es bei Licht ein elektrisches Signal. 2003 schlugen Hegemann und Nagel vor, ChR2 als Werkzeug zu nutzen, um in Zellen per Licht Impulse auszulösen.

Der Sprung in die Nervenzelle

Den nächsten Schritt ging Karl Deisseroth in Stanford (PDF). Der Psychiater wollte wissen, warum Gehirne so verschieden arbeiten und woran Depression oder Schizophrenie liegen. Dafür musste er Nervenzellen im lebenden Gehirn untersuchen. Er bat Nagel um die ChR2-DNA und brachte sie in Rattenneuronen in der Petrischale ein. Die empfindlichen Zellen vertrugen das Gastgen, bauten das Algenprotein in ihre Membran ein und antworteten auf blaues Licht sofort mit Nervensignalen. Zusätzliches Retinal war nicht nötig, wie Nagel beobachtet hatte: Säugetierzellen bringen genug davon mit. 2005 erschien das Ergebnis, 2006 bekam die Methode ihren Namen: Optogenetik.

Licht im Hirn

Von der Zellkultur zum lebenden Tier war es allerdings noch ein weiter Weg, denn Hirngewebe streut Licht gnadenlos. 2007 gelang Deisseroths Team der nächste Wurf: Mit Viren schleusten sie das ChR2-Gen in einen bestimmten Zelltyp im motorischen Cortex von Mäusen ein. Eine dünne Glasfaser, durch ein kleines Bohrloch im Schädel geschoben, brachte das Licht direkt an die Zielzellen. Ergebnis: Die Schnurrhaare der Tiere zuckten auf Kommando. Im selben Jahr weckten Forscher schlafende Mäuse per Lichtblitz, indem sie Orexin-Neuronen im lateralen Hypothalamus aktivierten.

Schaltpläne fürs Gehirn

Das Gehirn besteht aus rund 90 Milliarden Nervenzellen mit jeweils tausenden Verbindungen, und Zellen mit völlig verschiedenen Aufgaben liegen oft dicht an dicht. Elektroden, Läsionsstudien und Medikamente konnten zwar Zusammenhänge aufspüren, einzelne Zelltypen aber nicht millisekundengenau steuern. Bei der Optogenetik bestimmt die Genetik, welche Zellen das Protein tragen, und die Glasfaser, wann und wo sie Licht bekommen. Damit lässt sich erstmals ursächlich belegen, welche Zellen welches Verhalten auslösen.

Ein berühmtes Beispiel lieferten Deisseroth und der Nobelpreisträger Susumu Tonegawa 2012: Sie markierten im Mäusehirn jene Zellen, die als sogenanntes Engramm eine Angsterfahrung speichern, und feuerten sie später erneut per Licht an. Die Tiere zeigten Furcht, obwohl weit und breit keine Gefahr drohte. Erstmals war damit gezeigt, dass die Aktivierung bestimmter Zellen genügt, um eine Erinnerung wachzurufen. Inzwischen haben Forscher außerdem Schaltkreise für Schmerz, Durst, Nahrungsaufnahme, Belohnung, Aufmerksamkeit und Sozialverhalten aufgespürt. Bei der Brutpflege von Mäusen steuern getrennte Schaltkreise etwa den Umgang mit den Jungen und die Motivation, sie aufzusuchen.

Neben ChR2, das Zellen anfeuert, fanden Forscher auch Proteine zum Abschalten. Halorhodopsin aus dem Archaeon Natronomonas pharaonis pumpt bei gelbem Licht negativ geladene Chloridionen in die Zelle und bringt sie so zum Schweigen. Weil es auf eine andere Wellenlänge anspricht als das blaulichtempfindliche ChR2, lassen sich beide im selben Schaltkreis kombinieren. 2015 entdeckte das Team um John Spudich bei einer Alge natürliche lichtgesteuerte Chloridkanäle, die effizienter bremsen als Pumpen. Damit ist die Neurowissenschaft von der Beobachterin zur Mitspielerin geworden: Forscher „lesen“ Hirnaktivität nicht mehr nur, sie „schreiben“ hinein.

Zurück zum Auge

Bei der erblichen Netzhauterkrankung Retinitis pigmentosa sterben die Stäbchen und Zapfen ab – die Betroffenen erblinden. Schon 2006 zeigte die Gruppe um Zhuo-Hua Pan, dass sich ChR2 in Netzhautzellen von Mäusen einschleusen lässt und die Lichtempfindlichkeit teilweise zurückkehrt. Die überlebenden Nervenzellen der Netzhaut werden dabei gewissermaßen zu Notfall-Lichtsensoren. Inzwischen läuft dieser Ansatz in klinischen Studien am Menschen. Bei einem blinden Patienten, dem das rotverschobene Channelrhodopsin ChrimsonR in die Netzhaut eingebracht wurde, kehrte ein Teil des Sehvermögens zurück: Mit einer Spezialbrille, die Licht aussendet, konnte er Gegenstände auf einem Tisch erkennen und danach greifen. Zum Zeitungslesen reicht das noch lange nicht, aber für den Alltag ist es ein Anfang. Einen ganz anderen, umstrittenen Ansatz gegen Augenerkrankungen wie Glaukom verfolgt derzeit die US-Firma Life Biosciences mit der sogenannten zellulären Reprogrammierung.

Was die Technik sonst noch kann

Vor allem bleibt die Optogenetik ein Forschungswerkzeug, und die meisten Anwendungen spielen sich bislang im Labor ab. Am weitesten ist das Sehen, das schon am Menschen erprobt wird. Daneben zeichnen sich Einsatzfelder von der Psychiatrie bis zur Stoffwechselforschung ab.

Hohe Erwartungen ruhen auf der Erforschung psychischer Erkrankungen wie Depression, Angststörungen oder Schizophrenie. Lange war unklar, welche Zellen und Verbindungen daran beteiligt sind; hier liefert die Optogenetik erste Antworten. So zeigte sich, dass Angst nicht an einer einzelnen Hirnregion hängt: In der basolateralen Amygdala dämpft eine Projektion zur zentralen Amygdala das Angstverhalten, eine andere zum ventralen Hippocampus hingegen verstärkt es. Auch im Belohnungssystem lassen sich Schaltkreise für Wohlgefühl und Abneigung trennen. Therapien sind daraus noch nicht erwachsen, wohl aber gezielte Ansatzpunkte. Ähnliches gilt für Alzheimer und Parkinson. Im Hirnstamm haben Forscher etwa getrennte Schaltkreise für Lauftempo, Körperstreckung und feine Greifbewegungen entwirrt, was Bewegungsstörungen verständlicher machen kann.

Auch jenseits des Gehirns bringt die Methode Licht ins Dunkel. Deisseroth zeigte, dass der Herzrhythmus auf die Gefühle durchschlägt: Schlägt das Herz schneller, kann das Angst verstärken. Andere Forscher stießen auf Darmzellen, die erklären, warum mancher Zucker dem Süßstoff vorzieht. Gefunden wurden zudem Nervenzellen, die bei aktiviertem Immunsystem Fieber auslösen, sowie Zellen, die den Tag-Nacht-Rhythmus takten.

Auch beim Hören könnte die Technik helfen. Cochlea-Implantate reizen den Hörnerv bislang mit Strom, mit Licht ließe er sich womöglich genauer ansprechen. Das ist aber vorerst eine Hoffnung, keine erprobte Therapie.

Ein früher Blick über das Gehirn hinaus: Insulin per Smartphone

Dass sich Licht auch außerhalb des Nervensystems als Schalter nutzen lässt, berichtete heise online bereits 2017 unter dem Titel Zellen fernsteuern per Smartphone. Chinesische Forscher hatten menschliche Zellen mit dem Gen eines bakteriellen Lichtsensors ausgestattet. Diese Zellen produzierten bei Bedarf Insulin, wenn drahtlos mit Strom versorgte LEDs sie mit fernrotem Licht aktivierten. Eine eigens entwickelte Android-App schaltete das Licht ein und regelte dessen Intensität. Bei Diabetes-Mäusen stabilisierten vier Stunden Licht pro Tag die Insulinproduktion über 15 Tage. Der Versuch blieb im Tiermodell, zeigte aber, dass sich Zellen per Licht als Medikamentenfabriken steuern lassen.