„Durchschauen“ Sie das Gehirn! Chinesische Wissenschaftler entwickeln neues Supermikroskop

Autor: Shi Xiangqi und Li Chuanfu

Stellen Sie sich vor, dass beim Eintauchen in eine wundervolle Film- oder Fernsehszene Hunderte Millionen Neuronen in Ihrem Gehirn schnell aktiv werden und miteinander interagieren, um spezielle neuronale Schaltkreise zu bilden? Wie erzeugen diese komplexen neuronalen Netzwerke Bewusstsein? Wie reagieren die Immunzellen schnell, wenn das Gehirn versehentlich getroffen wird, und wohin eilen sie zum betroffenen Bereich? Wie verläuft die Entwicklung eines Tumors, beginnend mit der Zellanomalie, vollständig?

Um Antworten auf die oben genannten Fragen zu finden, hat uns das Team des Akademikers Dai Qionghai von der Tsinghua-Universität ein beispielloses Werkzeug mitgebracht – das Supermikroskop RUSH3D. Die Einführung dieses Mikroskops stellt einen wichtigen Fortschritt auf der mesoskopischen Ebene dar, die die mikroskopische und die makroskopische Welt verbindet. Forscher können nun die großflächigen und vielfältigen Interaktionen zwischen Zellen in lebendem Säugetiergewebe umfassend, dynamisch und langfristig beobachten und die großartigen Geheimnisse dieser Lebensvorgänge erforschen.

Supermikroskop RUSH3D. Foto mit freundlicher Genehmigung der Tsinghua-Universität

Kürzlich veröffentlichte das Team von Dai Qionghai seine Forschungsergebnisse in der internationalen Top-Zeitschrift „Cell“ und kündigte die Einführung der neuen Generation des mesoskopischen In-vivo-Mikroskopieinstruments RUSH3D an. Diese Errungenschaft schließt nicht nur die Lücke in der internationalen Forschung zur dreidimensionalen Beobachtung lebender Säugetiere im mesoskopischen Maßstab, sondern bietet auch eine neue Perspektive für die Untersuchung komplexer biologischer Prozesse.

Obwohl herkömmliche optische Mikroskope Materialinteraktionsprozesse innerhalb einzelner Zellen fokussieren können, sind sie bei der Beobachtung lebender Gewebe häufig durch den inhärenten Widerspruch zwischen Sichtfeld und Auflösung eingeschränkt. Die Entwicklung von RUSH3D ermöglicht es Forschern erstmals, Gewebeheterogenität im Maßstab von Säugetierorganen dynamisch und mit subzellulärer Präzision in Panoramaform zu beobachten. Dies ermöglicht die In-situ-Untersuchung des dynamischen interaktiven Verhaltens großer, unterschiedlicher Zellen in vollständigen physiologischen und pathologischen Prozessen in lebendem Gewebe mit beispiellosen maßstabsübergreifenden Bildgebungsmöglichkeiten in Zeit und Raum.

Supermikroskop-RUSH3D-Bildeffekt. Foto mit freundlicher Genehmigung der Tsinghua-Universität

Dieser technologische Durchbruch ist den unermüdlichen Bemühungen des Teams von Akademiker Dai Qionghai über die Jahre hinweg zu verdanken. Bereits 2013 begannen sie mit der Forschung im Bereich der mesoskopischen In-vivo-Mikroskopie. Im Jahr 2018 entwickelten sie erfolgreich das weltweit erste mesoskopische Fluoreszenzmikroskop mit einer Milliarde Pixel, RUSH. Dieses System wurde von internationalen Kollegen als Pionier auf dem Gebiet der mesoskopischen Mikroskopie gelobt. Allerdings war das RUSH-System damals noch mit einer Reihe technischer Engpässe konfrontiert. Dazu gehörten die Frage, wie man mit zweidimensionalen Sensoren eine dreidimensionale Hochgeschwindigkeitsabbildung erreicht, wie man Zellschäden durch langfristige Laserbestrahlung vermeidet, wie man optische Aberrationen und Hintergrundstörungen durch komplexe Abbildungsumgebungen überwindet, wie man das Signal-Rausch-Verhältnis der Abbildung bei schwachen Lichtverhältnissen verbessert und wie man große mesoskopische Daten effizient verarbeitet.

In den nächsten sechs Jahren befasste sich das Team von Akademiker Dai Qionghai weiterhin mit Schlüsselproblemen und schlug wichtige Theorien und Technologien vor, wie etwa Prinzipien der Lichtfeldabbildung, digitale adaptive Optikarchitektur, virtueller Scanalgorithmus, konfokale Lichtfeldarchitektur und selbstüberwachter Rauschunterdrückungsalgorithmus. Sie lösten nach und nach eine Reihe von Hindernissen in der mesoskopischen In-vivo-Mikroskopiebildgebung und legten den Grundstein für die Einführung einer neuen Generation des mesoskopischen In-vivo-Mikroskopieinstruments RUSH3D.

Das Supermikroskop RUSH3D füllt die technologische Lücke. Foto mit freundlicher Genehmigung der Tsinghua-Universität

Die Einführung von RUSH3D stellte nicht nur einen bedeutenden technologischen Durchbruch dar, sondern zeigte auch großes Potenzial in der praktischen Anwendung. Im Bereich der Gehirnforschung ist RUSH3D in der Lage, das gesamte Gehirn von wachen Mäusen, die „einen Film ansehen“, langfristig und in hoher Geschwindigkeit dreidimensionale Bilder aufzunehmen und mit ausreichender räumlicher Auflösung die sternenübersäten neuronalen Netzwerke in den 17 beobachteten Gehirnregionen darzustellen. Dies bietet eine starke Unterstützung für die Erforschung der Prinzipien von Gehirnfunktionen wie biologischer Intelligenz und Bewusstsein und fördert die Forschung zu degenerativen Erkrankungen des Gehirns und fördert darüber hinaus die Erforschung gehirninspirierter künstlicher Intelligenz. Auf dem Gebiet der Immunologie beobachtete RUSH3D erstmals die Immunreaktion auf Zellebene in mehreren Gehirnregionen nach einer akuten Hirnverletzung und entdeckte die Migration und den Reflux einer großen Zahl von Neutrophilen aus nicht-vaskulären Bereichen in das Gehirn, was eine neue Perspektive für die Immunologieforschung eröffnet.

Diese Leistung des Teams von Akademiker Dai Qionghai ist nicht nur ein Beweis für die Stärke der wissenschaftlichen Forschung meines Landes, sondern auch ein wichtiger Beitrag zur menschlichen Erforschung der Geheimnisse des Lebens. Ihre Bemühungen haben uns ein tieferes Verständnis des Gehirns ermöglicht und uns den Geheimnissen des Lebens näher gebracht. Wir haben Grund zu der Annahme, dass das menschliche Verständnis des Lebens in Zukunft mit der kontinuierlichen Anwendung und Entwicklung fortschrittlicher Instrumente wie RUSH3D eine neue Ebene erreichen wird. Hoffen wir, dass diese Supermikroskope uns weitere Geheimnisse des Lebens enthüllen und mehr Hoffnung für die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen bringen können.