Nervenzellen sichtbar gemacht

Kartierung des Kleinhirns

Das menschliche Kleinhirn beherbergt auf 10 Prozent des Gehirnvolumens etwa 80 Prozent aller Nervenzellen – auf einen Kubikmillimeter können also über eine Million Nervenzellen entfallen. Ihre genauen Positionen und Nachbarschaftsbeziehungen sind bislang weitgehend unbekannt. Göttinger Wissenschaftler konnten nun etwa 1,8 Millionen Nervenzellen in der Kleinhirnrinde darstellen.

Prof. Dr. Christine Stadelmann-Nessler, Dr. Franziska van der Meer, Mareike Töpperwien, Prof. Dr. Tim Salditt (von links; Bild: Universität Göttingen)

Die Nervenzellen des Kleinhirns verarbeiten Signale, welche vor allem erlernte und unbewusste Bewegungsabläufe steuern. Die Darstellung der Nervenzellen gelang den Forscherinnen und Forschern der Universität Göttingen und der Universitätsmedizin Göttingen mit einer besonderen Variante der Röntgenbildgebung. Gefördert wurde diese Arbeit durch das Exzellenzcluster für Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns und den Sonderforschungsbereich SFB 755 Nanoscale Photonic Imaging. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences erschienen.

Phasenkontrasttomografie (Bild: Universität Göttingen)

„Durch Tomografie im sogenannten Phasenkontrastmodus und der anschließenden automatisierten Bildbearbeitung können die Zellen in ihrer genauen Lage lokalisiert und dargestellt werden“, erklärt Erstautorin der Publikation Mareike Töpperwien vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entnahmen mit einer Biopsie-Nadel zylindrische Gewebeproben aus Gewebeblöcken, um sie in einem speziellen Phasenkontrast-Tomografen zu vermessen, den die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Tim Salditt entwickelt hat. Konventionelle Instrumente haben den Nachteil, dass kleine Strukturen sowie Gewebe geringer Dichte – wie bei Nervenzellen – wenig bis keinen Kontrast geben und daher nicht abgebildet werden können.

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Die innovative Methode der Göttinger setzt hingegen nicht auf die Absorption der Röntgenstrahlung, sondern auf die veränderte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Röntgenstrahlung. Die dadurch entstehenden Laufzeitunterschiede werden durch Strahlausbreitung auf einer Freiflugstrecke zwischen Objekt und Detektor indirekt sichtbar. Um scharfe Abbildungen zu erhalten, bearbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Aufnahmen noch durch Algorithmen. Sie können dann die dreidimensionale Elektronendichte des Gewebes aus der gesamten tomografischen Bildreihe rekonstruieren.

„Mit dieser Methode wollen wir in Zukunft auch pathologische Veränderungen, wie sie zum Beispiel bei neurodegenerativen Erkrankungen auftreten, dreidimensional darstellen, zum Beispiel Veränderungen des Nervengewebes bei Krankheiten wie der Multiplen Sklerose“, erklärt Prof. Dr. Christine Stadelmann-Nessler, Neuropathologin der Universitätsmedizin Göttingen. Durch Kombination von Aufnahmen unterschiedlicher Vergrößerungen erhielt das Göttinger Team eine Kartierung des Kleinhirns über viele Größenordnungen. „In Zukunft möchten wir noch weiter in interessante Hirnregionen reinzoomen können, fast so wie bei Google Maps“, sagt Salditt.

Publikation:
Mareike Töpperwien, F. van der Meer, C. Stadelmann, T. Salditt, "Three-dimensional virtual histology of human cerebellum by X-ray phase-contrast tomography" , PROC NATL ACAD SCI (2018); doi/10.1073/pnas.1801678115.

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