Scharfe Bilder aus dem Gehirn einer lebenden Maus

Foto: MPI

Bilder aus dem Gehirn einer lebenden Maus machten Forscher des Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie jetzt erstmals sichtbar. Die Wissenschaftler nutzten dafür die von Gruppenleiter Stefan Heil entwickelte STED-Mikroskopie. In einer bisher unerreichten Auflösung von unter 70 Nanometern haben sie die winzigen Strukturen sichtbar gemacht, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren, beschreibt das MPI den Wert des Verfahrens und hofft, das „diese Anwendung der STED-Mikroskopie Neurobiologen und Medizinern neue Wege eröffnet, grundlegende Vorgänge im Gehirn zu entschlüsseln.“

Täglich senden unsere Nerven größte Mengen an Daten nicht nur über unsere Datenautobahnen. Auch unser Gehirn muss eine riesige Datenflut verarbeiten. „Dazu steht jede der rund hundert Milliarden Nervenzellen mit tausenden Nachbarzellen in Kontakt“, erklären die Wissenschaftler einen Vorgang, den wir in der Regel gar nicht bemerken. Der gesamte Datenaustausch erfolgt dabei über Kontaktstellen – die Synapsen. „Nur wenn Nervenzellen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort über solche Kontaktstellen miteinander kommunizieren“, erklären sie den Hintergrund der neuen Forschung, „so kann das Gehirn seine komplexen Aufgaben bewältigen: Wir spielen ein schwieriges Klavierstück, lernen jonglieren oder erinnern uns an Namen von Menschen, die wir jahrelang nicht gesehen haben.“

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Die MPI-Forscher: Am meisten lasse sich über diese wichtigen Schaltstellen im Gehirn lernen, wenn man sie direkt bei ihrer Arbeit beobachte. Wann und wo bilden sich neue Synapsen und warum verschwinden sie an anderer Stelle? Keine leichten Fragen, denn Details in lebenden Nervenzellen können nur mit Lichtmikroskopen beobachtet werden.

Feinheiten, die enger beieinander liegen als 200 Nanometer (millionstel Millimeter), erscheinen aufgrund der Lichtbeugung als ein einziger verwaschener Fleck. „Die von Stefan Hell und seinem Team am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie entwickelte STED-Mikroskopie“, beschreiben sie in ihrer Pressemeldung, „hat diese Grenze erstmals radikal unterlaufen.“

Dazu verwenden die Forscher einen einfachen Trick: „Eng benachbarte Details werden unter Verwendung eines speziellen Lichtstrahls sequenziell dunkel gehalten, sodass sie nicht auf einmal, sondern nacheinander aufleuchten und somit unterschieden werden können. Mit dieser Technik konnten die Wissenschaftler um Hell die Auflösung gegenüber herkömmlichen Lichtmikroskopen bis um etwa das Zehnfache steigern.“

Als kühne Vision galt noch vor einem Jahr, was den Physikern und Biologen um Hell nun gelungen ist: auch höhere lebende Organismen mit Detailschärfe im Nanometerbereich zu untersuchen. Als erste blickten die Göttinger Forscher mit dem STED-Mikroskop direkt in das Gehirn lebender Mäuse.

„Mit unserem STED-Mikroskop sehen wir selbst die sehr feinen Verästelungen von Nervenzellen im Gehirn einer lebenden Maus scharf, an denen die Synapsen sitzen. Bei der hohen Auflösung von 70 Nanometern können wir diese sogenannten Dornfortsätze mit ihren pilz- oder knopfförmigen Ausstülpungen deutlich erkennen“, erklärt Hell. Es sind die bislang schärfsten Aufnahmen dieser elementaren Kontaktstellen des Gehirnschaltkreises. „Um diese sichtbar zu machen, nehmen wir genetisch veränderte Mäuse, die in ihren Nervenzellen große Mengen eines gelb fluoreszierenden Proteins herstellen. Dieses Protein wandert in alle Verästelungen der Nervenzelle, selbst in kleinste, feinste Strukturen“, erklärt Katrin Willig, Nachwuchsforscherin in der Abteilung NanoBiophotonik von Stefan Hell. „Die superscharfen Live-Aufnahmen könnten in Zukunft sogar zeigen, wie bestimmte Proteine an den Kontaktstellen verteilt sind“, so Hell. Mit solchen immer detaillierteren Bildern von Strukturen im Gehirn will das Team um Hell dazu beitragen, den Aufbau und die Funktion der Synapsen auf molekularer Ebene aufzuklären.

Solche Erkenntnisse könnten auch helfen, Krankheiten besser zu verstehen, die auf einer Fehlfunktion von Synapsen beruhen. Zu diesen sogenannten Synaptopathien zählen beispielsweise Autismus oder Epilepsie

 

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