Hochgeschwindigkeits-Mikroskopie: Gesamte Gehirnaktivität auf Video gebannt Beim Denken zuschauen - medizin&technik - Ingenieurwissen für die Medizintechnik

Hochgeschwindigkeits-Mikroskopie: Gesamte Gehirnaktivität auf Video gebannt

Beim Denken zuschauen

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Ein internationales Forscherteam entwickelt eine Methode, mit der erstmals die gleichzeitige neuronale Aktivität von Nervensystemen an lebenden Organismen mit Einzelzellauflösung erfasst werden kann.
Es ist eine fundamentale Frage, wie sich unser Gehirn durch die von Sinnesorganen wahrgenommen Informationen ein Bild von der Welt macht, wie diese Informationen verarbeitet werden und letztlich zu Entscheidungen und Verhalten führen. Die Möglichkeit, diese Kausalkette in ihren Einzelheiten nachzuvollziehen, war bisher stark eingeschränkt. Es fehlten die nötigen Technologien, mit denen die Aktivität großer Netzwerke von Nervenzellen spezifisch manipuliert und gleichzeitig erfasst werden kann.
Ein Team von Wissenschaftlern um den Wiener Physiker Alipasha Vaziri, Gruppenleiter am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP), stellt nun im Wissenschaftsjournal „Nature Methods“ eine Technologie vor, die es ermöglicht, die Nervenzell-Aktivität des gesamten Gehirns von Modellorganismen mit hoher räumlicher und bisher unerreichter zeitlicher Auflösung abzubilden. Die Methode, die gemeinsam mit Edward Boyden und seiner Gruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA entwickelt wurde, erlaubt die Rekonstruktion von dreidimensionalen Daten aus einzelnen Bildern.
Schon bisher konnte man die Aktivität von Neuronen mit Hilfe fluoreszierender Proteine in genetisch veränderten Organismen sichtbar machen. Allerdings, war es bis vor kurzem nicht möglich, gleichzeitige Aktivitätsänderungen von großen Nervenzellnetzen mit Einzelneuron-Präzision zu erfassen.
„Genau diese Möglichkeit ist unabdingbar, um zu verstehen, wie die beachtlichen Leistungen des Gehirns bei der Verarbeitung von Sinnesreizen oder der Planung von Bewegungsabläufen zustande kommen“, sagt Alipasha Vaziri. „Der Grund dafür liegt in der enormen Dichte der Vernetzung von Nervenzellen im Gehirn. Dadurch tragen einzelne Neuronen meist keine Information, sie ist vielmehr im Zustand des gesamten Systems kodiert.“
Die Hardware des neuen Imaging-Verfahrens enthält zehntausend Mikrolinsen auf einem münzgroßen Chip. Somit wird das Objekt mit einer einzigen Aufnahme jeweils aus unterschiedlichen Winkeln gleichzeitig abgebildet. Ein Computer-Algorithmus rekonstruiert die räumliche Position des Objekts aus dieser Winkelinformation.
„Wir können mit einem einzigen Bild ohne jegliches mechanisches Scanning den gesamten Raum aufnehmen. Unsere Zeitauflösung ist allein durch die Eigenschaften der Moleküle und des Kamerasensors beschränkt. Gegenüber der bisherigen Methode können wir in Volumina, die bis zu tausendfach größer sind, zehnfach schnellere Veränderungen erfassen“,erklärt Robert Prevedel, Postdoktorand in Wien und mit Young Gyu Yoon vom MIT gemeinsamer Erstautor der Studie.
Die Erkenntnisse sollen dazu beitragen, rechnerische Modelle von Verhaltensabläufen zu entwickeln, um Voraussagen für bestimmte Handlungen zu treffen.
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