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Nervenzellen im Hirn live beobachten

Live ist die Kommunikation von Nervenzellen im Gehirn mit einem neuen Verfahren zu verfolgen, das Forscher des Helmholtz Zentrums München und der TU München entwickelt haben. Dabei ist die Aktivierung von größeren Nervenverbänden dreidimensional in Echtzeit zu beobachten.

Die größte Schwierigkeit beim Versuch, live ins Gehirn zu sehen, ist die Eindringtiefe. Denn ohne in die Struktur des Gehirns einzugreifen und sie damit wahrscheinlich zu zerstören, verliert sich kurz nach der Oberfläche das Signal aufgrund der hohen Streuung im Gewebe. Daher blieben Untersuchungen am Gehirn mit optischen Methoden bis dato tatsächlich „oberflächlich“.
Ein Team um Professor Dr. Daniel Razansky, München, hat nun einen Weg gefunden, dieses Problem anzugehen. Grundlage des neuen Verfahrens ist die sogenannte Optoakustische Tomographie, die eine präzise nichtinvasive 3D-Tiefendarstellung von Geweben erlaubt. Damit wird es möglich, auch Signale in größeren Gewebetiefen auszuwerten. Dazu erwärmen schwache Laserimpulse das Zielgewebe, was zu dessen kurzzeitiger Ausdehnung führt und Ultraschallsignale erzeugt. Diese erfassen Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München dann mit einem entsprechenden Sensor und „übersetzen“ sie in dreidimensionale Bilder. Bisher nutzten sie die Technologie zum Beispiel, um den Sauerstoffgehalt oder die Ausbreitung von Medikamenten im Blut zu messen. Die aktuelle Arbeit befasst sich nun mit deutlich schnelleren Prozessen – nämlich den Nervenimpulsen.
Das Verfahren kombinierten die Wissenschaftler mit einer Technik, die Konzentrationsunterschiede von Kalziumionen sichtbar macht, die durch Nervenaktivität entstehen. So kommt es bei der Aktivierung von Nerven in der direkten Umgebung der Zellen zu einer Verschiebung von Kalziumionen, die durch Ionenkanäle in die Zellen hinein oder hinaus transportiert werden. Diese Konzentrationsschwankungen können die Wissenschaftler durch sogenannte genetically encoded calcium indicators (GECIs) nachweisen. Sie ändern je nachdem ob Kalzium vorhanden ist oder nicht ihr Absorptionsspektrum, also ihre Farbe.
Mit der Kombination der Verfahren können die bisherigen Grenzen der neuronalen Bildgebung deutlich überschritten werden, erklärt dazu Dr. Xosé Luis Deán-Ben als Erstautor der Studie. Das stellten die Wissenschaftler im Gehirn von ausgewachsenen Zebrafischen (Danio rerio) unter Beweis, die mit einem stimulierenden Wirkstoff behandelt wurden. In einem entsprechenden Tomographen konnten die Wissenschaftler beobachten, wie das Kalziumsignal über die Nerven ins Gehirn weitergeleitet wurde. In einem nächsten Schritt waren außerdem die Nervenimpulse der Fische in freier Bewegung nachzuverfolgen.
„Der größte Erfolg für uns war allerdings die Analyse von ganzen Gehirnen der erwachsenen Tiere“, sagt Studienleiter Razansky. Diese hätten immerhin eine Größe von circa 2x3x4 Millimeter (ca. 24 mm3). Mit den üblichen Methoden sei jedoch nur etwa ein Kubikmillimeter zu analysieren, so die Forscher. Gewebe vom Ausmaß eines erwachsenen Zebrafischgehirns seien daher mit Mikroskopiemethoden nicht zu untersuchen. Die technische Grenze für ihre Verfahren schätzen die Wissenschaftler selbst auf etwa 1000 Kubikmillimeter bei einer zeitlichen Auflösung von 10 Millisekunden.
Die gleichzeitige Beobachtung so vieler Nerven halten die Forscher für relevant bei der Suche nach Antworten zur Funktionsweise des Gehirns – sowohl im Normalzustand als auch im Krankheitsfall. „Durch unsere Methode können wir nun eine größere Zahl von Nerven gleichzeitig optisch beobachten“, sagt Razansky. Die neuronalen Netzwerke kann man sich nach seinen Aussagen vorstellen wie soziale Medien. „Bisher konnten wir mitlesen, wenn jemand - in diesem Fall eine Nervenzelle - seinem Nachbarn eine Nachricht überbringt. Nun können wir dabei zusehen, wie sich diese Nachricht wie ein Lauffeuer verbreitet. Dadurch verbessert sich auch unser Verständnis dafür, wie das Gehirn arbeitet und möglicherweise ergeben sich dadurch Wege, bei Fehlfunktionen therapeutisch einzugreifen“, so der Wissenschaftler weiter.

Quelle: Deán-Ben, XL. et al., 2016, Functional optoacoustic neuro-tomography for scalable whole-brain monitoring of calcium indicators, Science & Applications, doi:10.1038/lsa.2016.201

Ansprechpartner: Prof. Dr. Daniel Razansky, Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH), Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung, Ingolstädter Landstr. 1, 85764 Neuherberg - Tel. +49 89 3187 1587 - E-Mail: daniel.razansky@helmholtz-muenchen.de

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