Wie Neurone miteinander reden…

Prof. Dr. Benjamin Judkewitz ist von Neugier getrieben. Er möchte Nervenzellen bei ihrer Arbeit zusehen, ihre Interaktionen und Netzwerke verstehen. Schon während seiner Promotion erkannte der Biologe, dass viele Forschungsfragen bis heute nicht beantwortet werden können, weil die hierfür nötigen Technologien noch nicht entwickelt sind. Er hat die Herausforderung angenommen und versucht nun genau das: Neue optische Technologien zu schaffen.

Herr Judkewitz, können Sie auf einfache Weise beschreiben, woran Sie und Ihr Team arbeiten?

Wären Menschen so durchsichtig wie Quallen, hätte das erhebliche Konsequenzen für die Lebenswissenschaften. Anstatt zum Beispiel Gewebeproben, Gewebeschnitte oder Biopsien zu studieren, könnten Forscher intakten Organen bei der Arbeit zusehen. Leider sind wir jedoch sehr undurchsichtig und können nicht einmal durch die Haut sehen. Eine entscheidende Hürde ist dabei die Lichtstreuung innerhalb von Geweben. Aus diesem Grund arbeiten wir an neuen Bildgebungsverfahren, die es ermöglichen, die Streuung zu überwinden und somit Teile biologischer Gewebe zu sehen, die vorher unerreichbar waren. Als Neurowissenschaftler geht es mir insbesondere um Gewebe im Gehirn. Ich verbinde mein Interesse an biologischen Mechanismen mit dem Interesse an neuen Technologien und Methoden, um eine neue Gerätegeneration in der Lichtmikroskopie zu entwickeln.

Was wollen Sie mit Ihren Forschungsarbeiten erreichen?

Labor Judkewitz.
Foto: Krupp-Stiftung/ Brigitte Kraemer

In fast allen Lebenswissenschaften, ob in der Neurobiologie, in der Krebsforschung oder in der Entwicklungsbiologie, versuchen wir zu verstehen, wie der Organismus funktioniert. Bisher machen wir das mit sehr reduzierten Präparaten: Wir müssen Zellen entnehmen und sie in der Petrischale kultivieren oder wir müssen Schnitte anlegen, beispielsweise von Gehirnen, oder wir können nur die Oberfläche, nur die Haut mikroskopisch betrachten. Die entscheidende Frage ist aber: Wie funktioniert der Organismus, wenn er am Leben ist, wenn er ganz ist und nicht in Schnitten oder Einzelteilen. Um dahin zu kommen, müssen wir die Bildgebungsverfahren verbessern, die es ermöglichen, tiefer in die Gewebe einzudringen. Es gibt natürlich Verfahren, die das bereits tun. Es gibt Röntgenstrahlung, es gibt Kernspinntomografie, es gibt Ultraschallverfahren, aber die spielen sich in ganz anderen Größenordnungen ab. Allein ein Bildpunkt in der Kernspinntomografie enthält Tausende von Neuronen. Zwar verhelfen uns die bisherigen Techniken zu Erkenntnissen über die makroskopischen Strukturen des Gehirns, aber sie werden es uns nicht ermöglichen, herauszufinden, wie die Zellen direkt miteinander kommunizieren. Wir wollen das möglich machen.

Wie nah sind Sie dem Ziel schon? Was ist Ihre größte Herausforderung?

Wir hoffen, dem Ziel immer näher zu kommen. Es gibt viele Hürden, aber auch sehr viele Fortschritte. Das Interessante daran ist, dass zur Lösung des Problems viele unterschiedliche Disziplinen zusammenkommen. Wir haben Biologen, Neurowissenschaftler, Ingenieure, Mathematiker und Physiker in der Gruppe und arbeiten an einem Verfahren, das es im Grunde erst seit zehn Jahren gibt. Es wurde von Physikern entwickelt, die an Titaniumoxid-Partikeln geforscht haben, sehr weit entfernt von der Biologie. Es hat eine Weile gedauert, bis man überhaupt daran denken konnte, diese Methoden auch in der Biologie zu nutzen. Genau diese Brücke wollen wir nun schlagen. Eine der Herausforderungen dabei ist es auch, eine interdisziplinäre Gruppe von Forschern zusammenzuhalten. Jede Disziplin hat ihre eigene Sprache und jeder muss lernen, den anderen richtig zu verstehen.

Sie sind selbst Biologe, Physiologe, Neurowissenschaftler, Ingenieurwissenschaftler… – was davon sind Sie am meisten?

Das hängt ganz von meiner Umgebung ab. Und es hängt auch davon ab, wofür meine Umgebung mich gerade hält. Als ich am California Institute of Technology unter lauter Ingenieuren war, galt ich ganz klar als der Biologe. Als ich zu den Biowissenschaftlern an der Charité zurückgekehrt bin, hielten mich alle Biologen für einen Ingenieur oder Physiker. Ich würde schon sagen, dass mein Herz in der Biologie ist und ich diese Geräte nicht einfach nur deshalb entwickele, weil es mir Spaß macht Geräte zu entwickeln. Es bereitet mir zwar große Freude, an Mikroskopen zu tüfteln und neue Methoden zu entwerfen. Die Motivation dafür ist jedoch nicht der Spaß am Schrauben, sondern die biologischen Forschung, die wir mit den neuen Methoden betreiben können.

Sie haben sich ein nicht unerhebliches Ziel gesetzt: Im Grunde wollen Sie die Lichtmikroskopie „neu erfinden“. Muss man sich scheinbar vermessene Ziele setzen, um etwas zu bewegen?

Manchmal ist es wichtig, sich vermessene Ziele zu setzen, auch wenn das in der heutigen Wissenschaftslandschaft nicht immer einfach ist, weil es nicht gerade viele Fördermittel gibt, die riskante Projekte fördern. Meist ist es leichter, ein sicheres Projekt, dafür mit vielleicht nicht so verrückten Zielen, zu wählen. In den Vereinigten Staaten wird viel stärker auf riskante Projekte gesetzt. Das heißt aber auch, dass die meisten dieser Projekte scheitern. Die wenigen Projekte, die am Ende erfolgreich sind, sind allerdings wirklich bahnbrechend. Hier in Europa ist es vielleicht weniger extrem. Förderer mögen konservativere Projekte, die dafür weniger riskant sind. Beide Ansätze sind sinnvoll und wichtig.

Ihr Projekt ist durchaus riskant, könnte es in der Tat bahnbrechend werden?

Was die Arbeit meines Labors betrifft: Wir könnten niemals garantieren, dass unser Projekt bahnbrechend sein wird, aber wir werden versuchen, es zum Erfolg zu führen.

Sie nutzen die sogenannte optische Zeitumkehrung, um der Lichtstreuung in lebenden Geweben entgegenzuwirken. Was kann man sich darunter vorstellen?

Den Lichtstrahl umkehren.
Foto: Wiebke Peitz, Charité

Wenn man einen Lichtstrahl beispielsweise durch eine Hand schickt, wird dieser Lichtstrahl in viele unterschiedliche Richtungen gebeugt und gebrochen – das ist der Grund, warum eine Hand undurchsichtig ist. Auf der anderen Seite der Hand kommt Licht in allen möglichen Richtungen wieder hinaus, diesen Prozess nennen wir Streuung. Licht kann man auch als Partikel beschreiben. Wenn man sich nun vorstellt, dass man jeden einzelnen Partikel, der aus der Hand heraus kommt, einfängt und genau um 180 Grad gedreht wieder zurückschickt, dann geht der Partikel durch die Hand genau den gleichen Weg in umgekehrter Richtung und kommt auf der ursprünglichen Seite als gerader Strahl wieder heraus. Ähnlich wie auf einem Billardtisch: Die einzelnen Lichtpartikel, die Photonen, sind wie Billardkugeln. Wenn man das Spiel startet und das Dreieck anstößt, verteilen sich die Kugeln in alle Richtungen. Nach ein paar Anstößen an der Bande und Zusammenstößen mit anderen Kugeln ergäbe sich eine scheinbar zufällige Anordnung der Kugeln. Wenn man nun aber alle Kugeln in genau umgekehrter Richtung zurückschießen könnte, würden sie alle Zusammenstöße rückwärts durchlaufen und schließlich wieder das ursprüngliche Dreieck formen – als spielte man ein Video rückwärts ab. Die Lichtstreuung ist wie ein Billardspiel kein zufälliger Prozess, sondern ein Resultat der Zusammenstöße. Wir müssen nur herausfinden, wie wir das „Video“ umkehren können. Und genau damit beschäftigen wir uns.

Das klingt nach komplexen Geräten, die sie hierfür entwickeln?

Es klingt vielleicht komplex, aber man braucht im Grunde nur Geräte, die bereits verfügbar sind. Die Komponenten sind Laser, Kameras und sogenannte Wellenfrontmodulatoren: eine Technologie, wie sie in jedem Beamer und Projektor steckt, denn das ist der Chip der das Bild produziert. Da diese Technologien von der TV- und Kinoindustrie so rasant weiterentwickelt werden, verbessern sie sich zunehmend, so dass sie sich immer besser auch für unsere Methoden eignen.

Wie sicher sind Sie, dass das Vorhaben gelingen wird?

In meiner Laufbahn als Wissenschaftler war ich mir noch nie sicher, ob ein Vorhaben gelingen wird. Wenn ich mir sicher wäre, wäre es wahrscheinlich auch nicht so spannend. Ich denke aber, dass es ein wichtiger Schritt für die Forschung wäre, wenn es klappen würde. Das ist für mich die Motivation, diese Forschung zu betreiben. Ich bin Neurobiologe, ich möchte verstehen, wie Neurone miteinander reden und wie diese Interaktion dazu führt, dass Eigenschaften entstehen wie Wahrnehmung, Lernen oder Gedächtnis. Ich bin ganz sicher, dass es am Ende meiner Karriere noch immer eine offene Frage sein wird, aber ich habe die Hoffnung, dass wir bis dahin einige Fortschritte machen können und dass wir größere Netzwerke im Gehirn mit der Auflösung einzelner Zellen beobachten können und erste Theorien prüfen können, wie diese Netzwerke Informationen verarbeiten.

Seit zwei Jahren sind Sie zurück in Deutschland. Würden Sie sagen, Sie sind im deutschen Wissenschaftssystem inzwischen ganz gut angekommen?

Die Rückkehr nach Deutschland habe ich mir lange überlegt. Es war sicher eine schwierige Entscheidung. Ich hatte Bedenken, weil ich mich an ein Grundstudium an einer recht konservativen Universität erinnert habe, an der es sehr klare Hierarchien gab und ein Student den Professor kaum zu Gesicht bekommen hat. Ich wollte nicht Teil dieses Systems werden. Zum Glück hatte ich aber die Gelegenheit, die Wissenschaftslandschaft in Berlin und an der Charité kennenzulernen und habe gemerkt, dass es hier viel flexibler ist. Ich hatte die Hoffnung, dass man hier als junger Professor, der gerade seine Karriere beginnt, etwas mehr Einfluss hat. Vielleicht hängt das auch mit der Geschichte der Stadt zusammen, dass hier die Strukturen etwas neuer und nicht so festgefahren sind. Wissenschaftlich passiert in Berlin einfach unglaublich viel. In meinem Fachgebiet ist dieser Ort noch nicht die Nummer eins in Deutschland, aber wenn die Entwicklung so weitergeht, sind wir nicht weit davon entfernt.

Professor Dr. Benjamin Judkewitz

Benjamin Judkewitz ist Professor für Bioimaging und Neurophotonics. Er studierte Biologie in Heidelberg und Berkeley mit den Schwerpunkten Zellbiologie, Biochemie und Zoologie. Nach der Promotion in der Neurobiologie und Physiologie am University College London habilitierte der Biologe in den Gebieten Photonik und Ingenieurwissenschaften am California Institute of Technology. Seit 2014 leitet Judkewitz die Arbeitsgruppe Bioimaging und Photonics am Exzellenzcluster NeuroCure an der Charité.