Neurowissenschaftler erforschen neuronale Kommunikation mit Ultra

20. Juni 2023

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by Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V.

Um die Aktivität neuronaler Strukturen sowie das Zusammenspiel von Nervenzellen zu untersuchen, sind minimalinvasive Technologien erforderlich, die Bilder aus empfindlichem Tiefhirngewebe liefern. Ein neues haarfeine Endo-Mikroskop, entwickelt von einem internationalen Team unter Beteiligung des Leibniz-IPHT, verspricht äußerst schonende Tiefenbeobachtungen und bietet die Möglichkeit, Hirnareale detailliert zu untersuchen und den Beginn und Verlauf schwerer Erkrankungen zu untersuchen neuronale Erkrankungen.

Das Instrument soll Neurowissenschaftlern dabei helfen, neue Strategien zur Bekämpfung dieser schwächenden Erkrankungen zu entwickeln. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Neuronale Erkrankungen wie Autismus, Epilepsie, Alzheimer oder Parkinson sind noch wenig verstanden. Daher bleibt die Vorbeugung, Behandlung oder Linderung dieser Krankheiten eine große Herausforderung. Um die Ursachen und Ursprünge dieser Krankheiten besser zu verstehen und maßgeschneiderte Therapien zu entwickeln und zu überwachen, ist es wichtig, das Verhalten der betroffenen Nervenzellen, die häufig in sehr tiefen Strukturen des Gehirns liegen, innerhalb der Krankheit zu entschlüsseln und zu untersuchen natürliche Komplexität des gesamten Organismus.

Neurowissenschaftler untersuchen diese Erkrankungen in Kleintiermodellen und nutzen minimalinvasive Endoskopietechniken, um Strukturen im tiefen Gehirn zu untersuchen. Zu diesem Zweck arbeiten Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena, Deutschland, gemeinsam mit dem Team für Komplexe Photonik vom Institut für Wissenschaftliche Instrumente der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Brünn, Tschechische Republik, an einem Roman Faserbasierter Ansatz.

Mit einem Durchmesser von nur 110 Mikrometern ist das Endoskop etwa so dünn wie ein menschliches Haar und ermöglicht die Aufnahme von Bildern in einer beispiellosen Gewebetiefe und auf subzellulärer Ebene. Dies ermöglicht nicht nur die Erforschung tief liegender Gehirnstrukturen, die bisher schwer zugänglich waren, sondern auch die genaue Untersuchung der neuronalen Konnektivität und Signalaktivität einzelner Neuronen im Gehirn.

„Das Herzstück des endoskopischen Systems ist eine ultradünne optische Glasfaser, die als Sonde dient. Mittels digitaler Holographie können wir damit einzelne Zellen und Blutgefäße hochauflösend, verzerrungsfrei und mit hoher Bildqualität abbilden und visualisieren.“ -Kontrast. Das haarfeine Endoskopie-Design ermöglicht eine äußerst schonende In-vivo-Untersuchung, ohne umliegendes Gewebe zu schädigen“, erklärt Prof. Dr. Tomáš Čižmár, Leiter der Forschungsabteilung Faserforschung und -technologie am Leibniz-IPHT, der die Entwicklung des geleitet hat Instrument.

Herkömmliche endoskopische Lösungen, die in der neurowissenschaftlichen In-vivo-Forschung eingesetzt werden, verwenden in der Regel spezielle Stablinsen (GRIN), die Bilder von einem Ende zum anderen übertragen. Aufgrund ihres Platzbedarfs stellen sie möglicherweise ein großes Risiko für Gewebeschäden dar und beeinträchtigen die Aussagekraft neurowissenschaftlicher Studien erheblich. Das neu entwickelte holographische Endoskop überwindet diesen Nachteil durch die Verwendung einer einzelnen Multimode-Lichtleitfaser als Bildsonde und ist damit die am wenigsten invasive Methode zur Visualisierung empfindlicher Gehirnbereiche.

Die Forscher nutzten außerdem eine neuartige Fasersonde, eine sogenannte Side-View-Sonde, die eine Beobachtung des Gewebes senkrecht zur Faserachse ermöglicht. Auf diese Weise wird das abzubildende Gewebe durch das Einführen des Endoskops in das Gewebe viel weniger belastet und beschädigt als bei der Verwendung herkömmlicher Sonden mit freiem Ende. Da die Sonde das Potenzial bietet, tiefer in das Gewebe einzudringen, bietet die Seitenansichtssonde auch die Möglichkeit, einzelne unterwegs aufgenommene Bilder zu einem panoramaartigen Bild zusammenzufügen und so einen kontinuierlichen Blick auf die gesamte Tiefe des Gehirns zu ermöglichen.

Neben der direkten Beobachtung der strukturellen Konnektivität zwischen Neuronen, insbesondere der dendritischen Stacheln (mikroskopische Strukturen, die aus Dendriten hervorgehen), können mit den entwickelten endoskopischen Lösungen auch intrazelluläre Prozesse beobachtet werden. Es konnten die Dynamik subzellulärer Strukturen, Veränderungen der intrazellulären Calciumkonzentration (eng verknüpft mit der Signalaktivität der Nervenzellen) und die Geschwindigkeit des Blutflusses in einzelnen Gefäßen untersucht werden. All diese Eigenschaften könnten Neurowissenschaftlern Hinweise auf pathologische Veränderungen im Gehirn liefern.

„Bei neuronalen Erkrankungen kann die kognitive und motorische Leistungsfähigkeit des betroffenen Organismus durch Veränderungen oder den Verlust von Nervenzellen irreversibel eingeschränkt sein. Wir entwickeln Technologien, um Krankheitszeichen, beispielsweise durch veränderte neuronale Kommunikation, frühzeitig zu erkennen.“ „Mit diesen neuen und leistungsstarken lichtbasierten Instrumenten können wir dazu beitragen, mit hoher Bildqualität noch nie dagewesene Einblicke in die Schaltzentrale lebenswichtiger Funktionen zu ermöglichen und so das Verständnis neuronaler Erkrankungen zu erweitern“, sagt Prof. Dr. Tomáš Čižmár.

Mehr Informationen: Miroslav Stibůrek et al., 110 μm dünnes Endomikroskop für In-vivo-Beobachtungen der neuronalen Konnektivität, Aktivität und Blutflussdynamik im tiefen Gehirn, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36889-z