Neuronalen Bildgebung

Dem Gehirn bei der Arbeit zuschauen

Live dabei sein, wenn Nervenzellen im Gehirn miteinander kommunizieren, das ist der Traum vieler Neurowissenschaftler. Eine neue Methode erlaubt es nun, die Aktivierung von größeren Nervenverbänden auch im Präklinischen Modell und in Echtzeit dreidimensional zu beobachten.

Das Bild zeigt die stark lichtstreuende Struktur des Zebrafischgehirns. Das Fluoreszenzbild links macht deutlich, dass optische Mikroskopie hier an ihre Grenzen stößt und die Lichtbrechung keine einzelnen Signale zulässt. Das optoakustisch erzeugte Bild rechts ermöglicht hochaufgelöste und dreidimensionale Informationen zur Nervenaktivität (hier in Orange) in Echtzeit. (Quelle: Helmholtz Zentrum München)

Forscher des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München stellen die neuen Möglichkeiten nun im Nature Fachjournal ‚Light: Science & Applications‘ vor.

Die größte Schwierigkeit beim Versuch, live ins Gehirn zu sehen, ist die Eindringtiefe. Denn ohne in die Struktur des Gehirns einzugreifen - und sie damit zumeist 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 im wahrsten Sinne des Wortes sehr „oberflächlich“.

Ein Team um Prof. Dr. Daniel Razansky, Gruppenleiter am Institut für Biologische und Molekulare Bildgebung (IBMI) am Helmholtz Zentrum München und Professor für Molekulare Bildgebungswissenschaften an der TU München, hat nun einen Weg gefunden, dieses Problem anzugehen. Grundlage des neuen Verfahrens ist die sogenannte Optoakustische Tomographie*, die es erlaubt, auch Signale in größeren Gewebetiefen auszuwerten. Dies kombinierten die Wissenschaftler mit einer Technik, die Konzentrationsunterschiede von Calciumionen sichtbar macht, die durch Nervenaktivität entstehen**.

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„Auf diese Wiese können wir die bisherigen Grenzen der neuronalen Bildgebung deutlich überschreiten“, so Dr. Xosé Luis Deán-Ben vom IBMI, Erstautor der Studie. Das stellten die Wissenschaftler im Gehirn von erwachsen Zebrafischen (Danio rerio) unter Beweis, die mit einem stimulierenden Wirkstoff behandelt wurden. In einem entsprechenden Tomographen konnten die Wissenschaftler beobachten, wie das Calciumsignal über die Nerven ins Gehirn weitergeleitet wurde. In einem nächsten Schritt konnten sie auch die Nervenimpulse der Fische in freier Bewegung nachverfolgen.                                                                                                          

Dem Lauffeuer auf der Spur

„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 2 x 3 x 4 mm (ca. 24 mm³). Aktuelle Methoden würden nur etwa 1 mm³ analysieren, so die Forscher. Gewebe vom Ausmaß eines erwachsenen Zebrafischgehirns wären entsprechend für aktuelle Mikroskopiemethoden nicht zu untersuchen. Die technische Grenze für ihre Verfahren schätzen sie selbst auf etwa 1000 mm³ bei einer zeitlichen Auflösung von 10 ms.

Die gleichzeitige Beobachtung so vieler Nerven halten die Forscher für entscheidend 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. Stellen Sie sich diese neuronalen Netzwerke vor 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“, erklärt Razansky. „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.

Weitere Informationen

* Diese Technologie ermöglicht eine präzise nichtinvasive 3D-Tiefendarstellung von Geweben. Dafür erwärmen schwache Laserimpulse das Zielgewebe, was zu dessen kurzzeitiger Ausdehnung führt und infolgedessen 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 etwa 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.

** Bei der Aktivierung von Nerven kommt es in der direkten Umgebung der Zellen zu einer Verschiebung von Calciumionen, die durch sogenannte Ionenkanäle hinein bzw. hinaus transportiert werden. Diese Konzentrationsschwankungen können die Wissenschaftler durch sogenannte genetically encoded calcium indicators (GECIs) nachweisen. Sie ändern je nachdem ob Calcium vorhanden ist oder nicht ihr Absorptionsspektrum, also ihre Farbe.

Hintergrund:

Für seine Forschung erhielt Razansky begehrte Mittel aus der Forschungsförderung des Europäischen Forschungsrats (ERC) und der US-Gesundheitsbehörde (NIH).

Original-Publikation:

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

Fachlicher 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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