Ungeahnte Einblicke

  • 07. December 2018

Ultradünne Fasersonden ermöglichen minimal-invasive Bildgebung aus tiefen Hirnregionen.

Was passiert im Gehirn, wenn wir etwas lernen? Wie bilden sich Erinnerungen und wie entsteht Alzheimer? Das könnten Wissen­schaftler künftig besser verstehen. Mit einer haar­feinen endo­skopischen Faser­sonde ist es einem Forscher­team vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena und der Universität Edinburgh gelungen, Einblicke in schwer zugängliche Hirn­regionen zu erlangen. Erst­mals sind Wissenschaftler in der Lage, mit einer beispiel­los minimal-invasiven endo­skopischen Sonde neuronale Strukturen tief im Gehirn lebendiger Mäuse hoch­auflösend sichtbar zu machen.

Abb.: Sergey Turtaev (l.) und Ivo T. Leite vor einer Projektion von Neuronen, die über eine Faser­sonde aufgenommen wurden. (Bild: S. Döring/ Agentur Focus / Leibniz-IPHT)

Abb.: Sergey Turtaev (l.) und Ivo T. Leite vor einer Projektion von Neuronen, die über eine Faser­sonde aufgenommen wurden. (Bild: S. Döring/ Agentur Focus / Leibniz-IPHT)

Dünner als ein menschliches Haar ist die Sonde, mit der die Forscher in tief liegende Hirn­regionen blicken können wie durch ein Schlüssel­loch. Durch eine einzelne optische Faser werden hoch­aufgelöste Bilder übertragen. Indem sie mit einer neu­artigen holo­graphischen Methode die Ausbreitung des Lichts in der multi­modalen Glasfaser steuern, erforschten die Wissenschaftler ein kompaktes System zur Fluoreszenz-Bild­gebung, das in doppelter Hinsicht einen Fort­schritt markiert: So ist ihr Werk­zeug nicht nur deutlich kleiner als die üblichen, auf Gradienten­index-Linsen oder Faser­bündeln basierenden Endo­skopen, es erzielt auch eine höhere Auflösung.

„Wir freuen uns sehr, dass unsere Technologie erste Schritte hin zur praktischen Anwendung in den Neuro­wissenschaften macht“, sagt Sergey Turtaev vom Leibniz-IPHT. „Erstmals haben wir gezeigt, dass es möglich ist, tiefe Hirn­regionen eines lebenden Tiers minimal-invasiv zu untersuchen und gleich­zeitig hoch­auflösende Bilder zu erhalten“, ergänzt Ivo T. Leite. Die Wissen­schaftler gehören der neu gegründeten Arbeits­gruppe für holo­graphische Endo­skopie um Tomáš Čižmár an, der das holo­graphische Verfahren zur Bild­gebung durch eine einzige Faser entwickelte. Auf diese Weise ist es seinem Team nun gelungen, Bilder von Gehirn­zellen und neuronalen Prozessen im visuellen Kortex und Hippo­campus mit zu erhalten. Detaillierte Beobachtungen in diesen Bereichen sind entscheidend, um die Sinnes­wahrnehmung zu erforschen, heraus­zufinden, wie sich Erinnerungen bilden und wie schwere neuronale Erkrankungen wie Alzheimer entstehen.

Neuronale Netzwerke in diesen inneren Regionen bei der Arbeit zu beobachten, ist mit derzeitigen Untersuchungs­methoden nicht möglich, ohne das umgebende Gewebe schwer zur schädigen. Zu groß sind die üblichen Endo­skopen mit ihrem Bündel aus hunderten Glas­fasern, um in diese empfindlichen Hirn­regionen vorzudringen — und zu winzig wiederum die neuronalen Strukturen, um sie mit nicht-invasiven bild­gebenden Verfahren wie etwa der Magnet­resonanz­tomographie (MRT) sichtbar zu machen.

Neurowissenschaftlern eröffnet das Verfahren neue Möglichkeiten, um zu erforschen, was im Gehirn von Tieren passiert, während diese ihrerseits gerade ihre Umgebung erkunden oder eine neue Aufgabe erlernen. „Wir können die Aktivität der neuronalen Schalt­kreise offenlegen, ohne ihre Aktivität zu stören“, erläutert Projekt­partnerin Nathalie Rochefort von der Universität Edinburgh. Tomáš Čižmár vom Leibniz-IPHT sieht sich durch die Ergebnisse bestärkt, weiter daran zu arbeiten, moderne Mikro­skopie­techniken für den Einsatz in den Neuro­wissenschaften zu erschließen, um mit ihrer Hilfe besser zu verstehen, wie unser Gehirn funktioniert.

Leibniz-IPHT / DE

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