HEIDELBERG, Deutschland, 4. Oktober 2021 – Eine von der Prevedel Group am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) entwickelte Methode ermöglicht es Neurowissenschaftlern, lebende Neuronen tief im Gehirn zu beobachten – oder jede andere Zelle, die in einem undurchsichtigen Gewebe verborgen ist. Das Verfahren basiert auf Drei-Photonen-Mikroskopie und adaptiver Optik.

Die Methode erhöht die Fähigkeit von Wissenschaftlern, Astrozyten zu beobachten, die Kalzium in tiefen Schichten des Kortex erzeugen, und alle anderen Nervenzellen im Hippocampus, der Region des Gehirns, die für das räumliche Gedächtnis und die Navigation verantwortlich ist, sichtbar zu machen. Das Phänomen tritt regelmäßig in den Gehirnen aller lebenden Säugetiere auf. Lina Streich von der Prevedel-Gruppe und ihre Mitarbeiter konnten die Technik nutzen, um die feinen Details dieser vielseitigen Zellen mit einer noch nie dagewesenen hohen Auflösung zu erfassen.
Ein verformbarer Spiegel, der in der Mikroskopie verwendet wird, um Licht in lebendem Gewebe zu fokussieren. Mit freundlicher Genehmigung von Isabel Romero Calvo, EMBL.
Ein verformbarer Spiegel, der in der Mikroskopie verwendet wird, um Licht in lebendem Gewebe zu fokussieren. Ein EMBL-Team kombinierte adaptive Optik und Drei-Photonen-Mikroskopie, um die Fähigkeit des medizinischen Personals zu unterstützen, tief im Hippocampus abzubilden. Mit freundlicher Genehmigung von Isabel Romero Calvo, EMBL.

In den Neurowissenschaften werden Hirngewebe normalerweise in kleinen Modellorganismen oder in Ex-vivo-Proben beobachtet, die zur Beobachtung geschnitten werden müssen – beides repräsentieren unphysiologische Zustände. Eine normale Gehirnzellaktivität findet nur bei lebenden Tieren statt. Das Mausgehirn hingegen sei ein stark streuendes Gewebe, sagt Robert Prevedel. „In diesen Gehirnen kann Licht nicht so leicht fokussiert werden, weil es mit den zellulären Komponenten interagiert“, sagte er. „Dies schränkt die Tiefe ein, in der ein scharfes Bild erzeugt werden kann, und es macht es sehr schwierig, mit traditionellen Techniken auf kleine Strukturen tief im Gehirn zu fokussieren.

„Bei traditionellen Fluoreszenz-Gehirnmikroskopie-Techniken werden jedes Mal zwei Photonen vom Fluoreszenzmolekül absorbiert, und Sie können sicherstellen, dass die durch die Strahlung verursachte Erregung auf ein kleines Volumen beschränkt ist. Aber je weiter die Photonen wandern, desto wahrscheinlicher gehen sie durch Streuung verloren.“

Eine Möglichkeit, dies zu überwinden, besteht darin, die Wellenlänge der anregenden Photonen in Richtung Infrarot zu erhöhen, wodurch sichergestellt wird, dass genügend Strahlungsenergie vom Fluorophor absorbiert wird. Darüber hinaus können durch die Verwendung von drei statt zwei Photonen schärfere Bilder tief im Gehirn erhalten werden. Es blieb jedoch eine weitere Herausforderung: die Photonen so zu fokussieren, dass das gesamte Bild nicht verschwommen ist.