Forschung & Entwicklung

Synapsen im Gehirn sichtbar machen

Einen Schlüssel, um zu verstehen, wie unser Gedächtnis funktioniert, liefern die Verbindungen zwischen den Nervenzellen im Gehirn, die Synapsen. Nun ist es gelungen, diese Schaltstellen in millimetergroßem Hirngewebe anhand ihrer Struktur mit dem Lichtmikroskop zu identifizieren.

Um die Synapsen sichtbar zu machen, entwickelte das Forscherteam an der Southwestern University Texas unter der Leitung von Reto Fiolka und Kevin Dean ein spezielles Mikroskop. Mit ihm beleuchten sie eine etwa millimetergroße Gewebeprobe von der Seite mit keilförmig fokussiertem Licht. Während sich der Fokus dieses Lichtkeils verschiebt, werden Bilddaten aufgenommen. So gelingt es den Forschern mithilfe von maschinellem Lernen hochaufgelöst und maßstabsgetreu dreidimensionale Gewebestrukturen innerhalb der Zellen zu erkennen und sichtbar zu machen. Mit bis zu 260 nm ist die axiale Auflösung des Mikroskops je nach optischer Konfiguration drei- bis zehnmal höher als bei konfokalen und bisherigen Lichtscheibenmikroskopen. Die dreidimensionale Bildgebung ermöglicht es, multizelluläre Gewebestrukturen ebenso zu erkennen und zu klassifizieren wie einzelne Zellen sowie seltene Interaktionen zwischen Zellen.

„Diese Arbeit ist wegweisend. Synapsen nur aufgrund ihrer Struktur mit dem Lichtmikroskop in millimetergroßen Gewebeblöcken zu erkennen, ist ein lang gehegter Wunsch von Wissenschaftlern gewesen“, sagt Rainer Heintzmann vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien. Er berechnete die zu erwartende Lichtverteilung und somit die Qualität des Keilfokus. Die Rechnungen sind für das optische Design des Instruments wichtig. Sie berücksichtigen den unerwünschten Einfluss, den der nicht ideale Brechungsindex des Einbettungsmediums auf die Qualität des Fokus hat. Die Methode könne laut Forscherteam dazu beitragen, einen Atlas der menschlichen Zellen zu erstellen. Weltweit arbeiten Wissenschaftler daran, die Gesamtheit aller Zellen im menschlichen Körper dreidimensional abzubilden und zu charakterisieren. Dieser ‚Human Cell Atlas‘ soll dazu beitragen, besser zu verstehen, wie grundlegende Prozesse in unserem Organismus ablaufen, wie sie sich verändern, wenn wir krank werden und so bessere Behandlungen ermöglichen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[T. Chakraborty et al., Light-sheet microscopy of cleared tissues with isotropic, subcellular resolution, Nat. Methods 16 (2019), DOI: 10.1038/s41592-019-0615-4]

www.leibniz-ipht.de

www.southwestern.edu

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