Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Institut für Neurowissenschaften und Biophysik in Jülich
vom 10. bis zum 22. Juli 2008
Von Christina Müller und Katrin Minjets
In den Sommerferien 2008 absolvierten wir, Christina und Katrin, ein freiwilliges Praktikum an einem der 15 Helmholtz-Forschungszentren in der Bundesrepublik Deutschland.
In den zwei Wochen trieben wir auf einem 2,2 km2 großen Gelände, inmitten eines Waldes, unser Unwesen, auf dessen Campus sich mehrere verschiedene Institute erstrecken. Die Forschungszentrum Jülich GmbH stellt mit 4.399 Beschäftigten, davon 1.278 Wissenschaftlern, 377 Doktoranden und Stipendiaten, 1.460 Technischen Angestellten und 348 Auszubildenden sowie jährlich über 800 Gastwissenschaftlern aus mehr als 50 Ländern eine der größten Forschungseinrichtungen Europas dar, an der die Bundesrepublik 90% Anteil trägt und Nordrhein-Westfalen 10%. Die Mitarbeiter widmen sich interdisziplinärer Spitzenforschung zur Lösung großer, aktueller gesellschaftsrelevanter Themen und Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Informationstechnologie, Energie und Umwelt. Daher ist auf dem Gelände für jeden etwas dabei, der sich für irgendeine bestimmte Art von Naturwissenschaften interessiert. Anfangs hieß das 1956 gegründete Forschungszentrum Kernforschungszentrumanlage (Kfa), da es einen mittlerweile stillgelegten Kernreaktor besitzt. Dennoch betreibt es Energieforschung, um der zukünftigen Generation eine umweltfreundliche, bezahlbare und zuverlässige Energieversorgung zu sichern. Daher liegt der Schwerpunkt der Arbeitsfelder in Photovoltaik, Brennstoffzellen, verbesserte Kraftwerktechniken und Kernfusion.
Im Gegensatz dazu arbeitet das Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre (ICG) – das Institut für die Umwelt – an den Auswirkungen technischer Prozesse auf die Umwelt und das Klima. Dort wird unter anderem untersucht, wie Pflanzen auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren und wie die Ernährung der Weltbevölkerung gewährleistet werden kann.
Luftbild des Forschungszentrums Jülich (Quelle: www.fz-juelich.de)
Wir selber hielten uns die meiste Zeit in dem Institut für Medizin (IME) bzw. Neurowissenschaften und Biophysik (INB-3) auf, an dem in verschiednen Bereichen geforscht wird und an dem Behandlungen in der Ambulanz stattfinden. Hauptsächlich konzentriert es sich auf die Gehirnforschung. Freundlicherweise war der Stellvertretende Gruppenleiter der kognitiven Neurologie Herr Priv.-Doz. Dr. Weiß-Blankenhorn bereit uns beide in der Arbeitsgruppe für „kognitive Neurologie“, die von Herrn Prof. Dr. Fink geleitet wird, aufzunehmen. Den Vorschlag nach Jülich zu gehen machte uns Herr Antony, da das Institut für Medizin sich hauptsächlich mit neurologischen und psychischen Krankheiten beschäftigt, die in den Gehirnregionen entstehen (z. B. Schizophrenie, Demenz, Alzheimer, Depressionen, Parkinson, Autismus …). Die Wissenschaftler untersuchen sowohl das gesunde als auch das erkrankte zentrale Nervensystem, also das menschliche Gehirn. Mit seinen 100 Milliarden Nervenzellen ist es eine große Herausforderung für die biomedizinische Grundlagenforschung die Struktur und die Funktion des menschlichen Gehirns zu analysieren und zu verstehen. Dieses ist aber notwendig, wenn man verstehen möchte, worauf viele Erkrankungen des Nervensystems im zunehmenden Alter beruhen. Daher finden Untersuchungen von Struktur und Funktion des Gehirns statt. Viel wichtiger ist aber, dass die Erkrankungen rechtzeitig diagnostiziert werden und Verbesserungen der Therapie erfolgen. Daher trafen wir auf Mediziner, Physiker, Chemiker, Psychologen, Biologen, Ingenieure und Angehörige vieler weiterer Berufe, die miteinander kooperieren. Denn die Hirnforscher untersuchen die regionale Organisation der menschlichen Hirnrinde sowie die Mechanismen normaler und krankhafter mentaler und kognitiver Funktionen und deren Modulationsfähigkeit mit den leistungsfähigen Großgeräten und Methoden moderner Hirnforschung. Sie entwickeln neue bildgebende Verfahren, aber auch einen bedarfsgesteuerten Hirnschrittmacher, mit dem Parkinson-Patienten in wenigen Jahren effektiver und schonender behandelt werden können.
Daher haben wir anfangs die einzelnen Geräte (MRT, EEG, MEG, TMS …) erklärt und gezeigt bekommen, weil diese für jegliche Art von Behandlungen benötigt werden – sei es für Studien, zur Diagnostik oder zur Verbesserung von Therapien. Allerdings verzichten wir darauf auf jedes Gerät einzeln einzugehen, da dieses schon zahlreiche Praktikanten vor uns taten, sodass wir auf die anderen Praktikumsberichte verweisen. Aber auf zwei Geräte möchten wir näher eingehen, die uns besonders interessieren und mit denen wir uns näher beschäftigt haben.
Zum einem das PET (Positronen-Emissions-Tomograph): Durch Frau Schaden (MTA; zuständig fürs PET) hatten wir die Möglichkeit einen unserer Tage im Forschungszentrum Jülich mit Messungen des PETs zu verbringen. Es werden sowohl Probanden als auch Krebspatienten bzw. Patienten mit dem Verdacht auf einen Tumor untersucht. Denn nicht jedes Krankenhaus kann sich ein PET leisten, sodass zu behandelnde Patienten eine Überweisung zur Untersuchung in das Forschungszentrum bekommen. Bei den Krebs-Patienten wird einerseits nach neuen Metastasen und andererseits nach der Wirkung der Chemotherapie geschaut. Außer den Bildern der Patienten, bei deren Messungen wir zusahen, wurden uns Bilder von anderen Patienten gezeigt und erläutert. So war auf einigen deutlich zu erkennen, dass ein Teil des Tumors operativ entfernt worden war. Dennoch nicht immer mit Erfolg, da meistens ein Teil des Tumors vorhanden bleibt und die meisten Patienten sich nicht noch einmal solch einer schweren Operationen unterziehen möchten.
Durch die Erläuterungen dieser Bilder wurde uns deutlich gemacht, auf was wir bei den fertigen 3-D Bildern achten müssen. So sind die Blase und das Herz ebenso als schwarze „Flecken“ zu sehen wie Tumore. Das lässt sich dadurch erklären, dass die durch Flour radioaktiv markierte Glucose sich an den Stellen anlagert, wo eine erhöhte Stoffwechselaktivität herrscht.
Nachdem der Tracer injiziert wurde, muss der Patient eine Zeit ruhen, damit der Tracer sich an den relevanten Stellen im Körper anreichern kann. Während der Untersuchung muss der Patient möglichst still liegen (was z. B. bei dementen Patienten leichter gesagt ist als getan, da diese schnell annehmen, man wolle ihnen etwas Böses, und sich wehren oder sogar die Polizei rufen wollen). Oft müssen Krebspatienten zugedeckt werden, damit sie nicht frieren. Würden sie frieren, würde sich ihr Stoffwechsel erhöhen und dieses würde als eine Anreicherung in der Muskulatur sichtbar werden (auch verkrampftes Liegen wird als eine Anreicherung sichtbar).
Die radioaktive Substanz zerfällt im Körper und die dabei ausgesendete Strahlung wird vom Detektorring des PET erfasst und der PC rechnet diese in ein Bild um. Auf diesen Bildern sind nun die besonders betroffenen Gebiete zu sehen, an denen sich am meisten Substanz angereichert hat.
Der Positron-Emissions-Tomograph (Quelle: www.wikipedia.de)
Da die Hirnforscher und Mediziner eng mit den Nuklearchemikern zusammen arbeiten, hat man uns das Zyklotron, die abgeschirmte Synthese-Apparatur für PET-Tracer und für Radiopharmaka, gezeigt sowie erklärt, in dem sie die PET-Tracer herstellen wie die Isotope 18F und seltener 15O. Denn ohne dieses wären die PET-Untersuchungen gar nicht erst möglich.
Zum anderen konnten wir leider nur das Gerät MEG gezeigt und die dazugehörigen Verwendungszwecke erklärt bekommen, da es seit über einem Jahr nicht mehr in Betrieb ist. Denn in den letzten Jahren benötigte keine Forschungsgruppe das MEG, aber nun wurde wieder eine Forschungsgruppe gefunden, die das MEG nutzen möchte. Diese wird sich die nächsten drei Jahre mit ADS bei kleinen Kindern beschäftigen. Bevor das MEG „stillgelegt“ war, wurden Studien mit Depressiven, Schizophrenen und Parkinson-Probanden/Patienten durchgeführt. So bekamen die depressiven Patienten z. B. Bilder mit den unterschiedlichsten Gesichtsausdrücken gezeigt, die verschiedene Emotionen zum Ausdruck bringen wie Trauer. Anhand dieser Bilder wollte man sehen, wie die Patienten im Vergleich zu gesunden Menschen darauf reagieren und ob sie dieselbe Emotionen wahrnehmen oder demjenigen überhaupt nicht bewusst ist, was der Trauernde empfindet und es den Patienten kalt lässt.
Desweiteren wurde mit Hilfe des MEGs und mit Hilfe von Probanden/Patienten Tass’ Hirnschrittmacher entwickelt und getestet. Uns wurde ein Video gezeigt, inwiefern die implantierten Hirnschrittmacher erfolgreich sind. Das Video war wirklich überwältigend, denn die Patienten wurden vor und nach ihrer Operation gefilmt. Auf dem Video ist zu sehen, wie die Symptome getestet wurden, indem die Patienten z. B. ein Glas Wasser trinken sollten, dieses war aber durch das heftige Zittern kaum möglich. Es gab z. B. eine Patientin, die ständig stehen geblieben ist und nicht weiter laufen konnte. Nach den Operationen war davon nichts mehr zu erahnen, dass die Patienten jemals unter der Krankheit litten. Es war einfach nur beeindruckend und ein überzeugendes Ergebnis, wie der Hirnschrittmacher seine Funktion erfüllt. Leider konnte man uns keine Auskunft darüber geben, ob die Hirnschrittmacher immer noch so gut ihren Zweck bei den Betroffenen erfüllen oder ob sich das Gehirn ebenso an den Hirnschrittmacher gewöhnt hat wie an die Tabletten – denn den Hirnschrittmacher bekommen sie erst implantiert, wenn sie bis zu fünf Jahre Tabletten gegen das „Feuern“ von Dopamin eingenommen haben – und sie folglich noch frei oder nicht frei von ihren Symptomen sind, da die Patienten zur weiteren Behandlung in die Klinik in Köln, in der sie auch operiert wurden, gehen. Zurzeit arbeitet Herr Tass an einem neuen Hirnschrittmacher. Bei Parkinson-Patienten „feuern“ die Nervenzellen in einem bestimmten Kerngebiet ihres Gehirnes im gleichen Takt Dopamin, das verantwortlich für typische Krankheitssymptome wie das Zittern ist. Außerdem verstärkt die übermäßige Synchronisation die Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen und verfestigt somit das verhängnisvolle Aktivitätsmuster. Die herkömmlichen Hirnschrittmacher unterdrücken lediglich die Synchronisation der Nervenzellen mit einem Dauerreiz. Der neue Hirnschrittmacher soll den Gleichklang gezielt aus dem Takt bringen, indem dieser das zwanghafte Bestreben nach Gleichschritt mit sehr milden, gezielten und zeitlich versetzten Reizen an verschiedenen Stellen stört. Zudem sollen nur noch dann Reize ausgelöst werden, wenn die Nervenzellen drohen wieder im gleichen Takt zu „feuern“.
Außer mit den Gerätschaften beschäftigten wir uns noch mit anderen Bereichen des INB-3, so waren wir noch in der Histologie, in der wir ein menschliches Gehirn gesehen haben und in den Händen halten durften. Die Gehirne, die sie benötigen, sind schwer zu bekommen. Denn sie müssen von gesunden Menschen stammen, da Neurowissenschaftlerin Frau Amunts zusammen mit Herrn Prof. Zilles zurzeit an einem weltweit einzigartigen Atlas in dreidimensionalen Computerbildern arbeitet. Dann könnten Neurologen und Forscher in diesem Atlas die Aktivitäten des Gehirns, die man in Kernspintomographen messen kann, eindeutig bestimmten Regionen zuordnen. Bisher hat nämlich jeder Forscher andere Kriterien, um Gehirne zu kartieren. Die Gehirne müssen kurz nach dem Tod entnommen werden und nach einer Reinigung bis zu drei Monate in Formalin konserviert werden. Danach wird es in flüssiges Paraffin gelegt, damit es nach der Härtung fest genug ist, um daraus die 7000 Schnitte zu schneiden. Diese werden dann noch auf Objektträger gezogen, um anschießend angefärbt unter dem Mikroskop betrachten werden zu können, sodass wir z. B. die Pyramidenzellen sehen konnten. Außerdem benötigt man diese Bilder auch, um zu sehen, wie der Aufbau und die Anordnung von Nervenzellen in einem Hirnareal mit den Funktionen zusammenhängen. Wenn z. B. die Sprachregion größer ausgeprägt ist, möchte man wissen, ob derjenige auch besonders sprachbegabt ist.
Ein Gehirn in Formalin eingelegt und rechts im Hintergrund die Kopfhaut
Christina mit einem Gehirn in den Händen
Da vieles zunächst am Mäuse- und Rattengehirn erforscht wird, weil die Hirnareale ähnlich dem menschlichen Gehirn sind, haben wir zugeschaut, wie einer toten Maus ein Gehirn entnommen wird. Vorher haben die Mitarbeiter diese noch seziert, um uns die Anatomie der Maus zu zeigen. Danach haben wir selber auch eine Maus seziert – die Maus ist natürlich nicht dafür gestorben, damit wir sie sezieren können, sondern weil ihr Gehirn benötigt wurde. Uns stellten mehrere Doktoranden ihre Studien vor und sie erklärten uns, wie sie ihre Idee umgesetzt haben und was bei der Auswertung heraus kam. Die Studientests durften wir selber auch ausprobieren. So hat Frau Dover eine Studie durchgeführt, wo die Patienten im MRT mit den Fingern der linken Hand Knöpfe drücken mussten, da sie meistens auf der rechten Seite durch einen Schlaganfall gelähmt sind. Sie haben z. B. Bilder gezeigt bekommen, wo sie dann für den Gegenstand zuordnen sollten, wie dieser anzufassen ist. Also haben sie z. B. eine Zahnbürste gezeigt bekommen und eine Handhaltung für das Zähneputzen und eine für das Schreiben.
Wir befanden uns auch einen Tag im JuLab (Jugend-Labor), um auf den Grund des Schwebens eines Zuges oder Magnets zu kommen. Aber zunächst sollten wir euch aufklären, was das JuLab überhaupt ist bzw. anbietet: Im JuLab können alle Klassen der Sekundarstufen I und II Experimente zu unterschiedlichen Themen buchen. Man kann sich aber auch alleine für Ferien-Workshops anmelden oder bei Projektarbeiten teilnehmen. Dabei orientieren sie sich an aktuellen Forschungsschwerpunkten des Forschungszentrums. Unter anderem kann man das Experiment „… wenn Züge schweben“ buchen, welches wir getestet haben.
Um dieses Phänomen erklären zu können, benötigt man einiges an Vorwissen, welches anhand von Versuchen erlangt wird, sodass man sich Stück für Stück dem Ergebnis nähert. Einige hat man bestimmt schon einmal in der Schule durchgeführt, aber es gibt auch viele neue bzw. solche, die mit anderen Geräten/Materialen durchgeführt werden, mit denen die Schule nicht arbeitet. Auch wenn schon einiges bekannt ist, wird es noch einmal aufgefrischt, denn das eine oder andere vergisst man schon mal wieder.
Dazu führt man z. B. einen Versuch durch, um die Problemstellung zu beantworten: was bewirkt ein elektrischer Widerstand? Das wird den meisten bestimmt bekannt sein: Je höher/geringer der Widerstand in einem Stromkreis, desto stärker/schwächer die Stromstärke, desto geringer/stärker leuchtet die Glühlampe, also bewirkt der elektrische Widerstand, dass der Strom im Stromkreis behindert wird. Dann haben wir noch einige Versuche zur Induktion durchgeführt, sowie viele weitere mit Magneten und Supraleitern.
Aber wie bekommt man einen Magnet zum Schweben?
Schwebender Magnet über einem abgekühlten Supraleiter
Man benötigt flüssigen Stickstoff(-196C°), damit der Magnet über einem gekühlten Supraleiter schwebt, denn Supraleiter sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten einer kritischen Temperatur Tc sprunghaft auf einen unmessbar kleinen Wert fällt. Dann bringt man einen Supraleiter oberhalb der Sprungtemperatur in ein Magnetfeld und kühlt ihn ab; so entsteht im supraleitenden Zustand wieder ein Strom, der zeitlich unbegrenzt fließt. Der Effekt, dass im konstanten Magnetfeld Ströme entstehen, wird als Meissner-Ochsenfeld-Effekt bezeichnet. Das äußere Magnetfeld wird durch ein entgegengerichtetes Feld im Supraleiter kompensiert. Ein Supraleiter verhält sich damit wie ein Diamagnet, der von einem Permanentmagnet abgestoßen wird, sodass ein Magnet über dem Supraleiter schwebt.
Ein paar Spielereien mit dem Supraleiter und dem Magneten
Um auch einen Einblick in eins der anderen Institute des FZJ zu erhalten, hielten wir uns auch in dem Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre (ICG-3) im Bereich der Phytosphäre auf. Denn dort begleiteten wir drei Tage lang Herrn Dr. Hinrich Lühring, dessen Forschungsschwerpunkt auf Membranbiophysik der Pflanzen liegt. Durch einen Vortrag führte er uns sowohl in die elektrophysiologischen Untersuchungen ein als auch in das Anwendungsgebiet solcher Methoden: Membrantransport-abhängige gravitrope Primärreaktionen in Wurzeln höherer Pflanzen. Danach haben wir uns die meiste Zeit in seinem Elektrophysiologielabor aufgehalten, in dem wir uns mit ihm zusammen mit patch-clamp-Experimenten an Plasmamembranen großer Algenzellen beschäftigten. So bekamen wir auch gleich einmal die Gelegenheit selber Elektroden und Pipetten herzustellen – bzw. versuchten wir es ;-) –, da wir diese für die Versuche benötigten, die gekauften aber zu groß sind. Der im Tonoplasten von Chara corallina existierende hochleitende K+-Kanal konnte als Einzelkanal abgeleitet werden. Außerdem versuchten wir, einen Einfluss von Allicin, dem starken antibiotisch wirksamen Inhaltsstoff von Allium cepa (Knoblauch), auf die Funktion von K+-Kanälen bzw. einen möglichen Einbau dieses Stoffes in die biologische Membran und einhergehender Porenbildung zu untersuchen.
Dieser Praktikumsbericht ist ein Auszug der Bereiche, in denen wir einiges gesehen und erfahren haben.
Ein recht herzlicher Dank an: