Zum ersten Mal geschafft! Glückwünsche an chinesische Wissenschaftler

Chinesische Wissenschaftler entwickeln ein „miniaturisiertes Drei-Photonen-Mikroskop“, um erstmals eine „tiefe Bildgebung des Gehirns“ von Mäusen zu erreichen

Das menschliche Gehirn enthält zig Milliarden Neuronen und Billionen Synapsen. Seine äußerst komplexen und präzisen Verbindungen und Wechselwirkungen in Struktur und Funktion sind die materielle Grundlage für die Entstehung von Bewusstsein und Denken. Die Entwicklung von Forschungsinstrumenten zur Analyse von Gehirnkonnektivitätskarten und funktionellen dynamischen Karten ist eine zentrale Ausrichtung von Hirnforschungsprogrammen in verschiedenen Ländern. Am 24. veröffentlichte das Forschungsteam um Cheng Heping und Wang Aimin von der Peking-Universität ein aktuelles Forschungsergebnis online in der Fachzeitschrift Nature Methods: Ein miniaturisiertes Drei-Photonen-Mikroskop mit einem Gewicht von nur 2,17 Gramm kann direkt in die Großhirnrinde und das Corpus callosum eindringen und erstmals eine funktionelle Abbildung der gesamten Großhirnrinde und der hippocampalen Neuronen von sich frei bewegenden Mäusen erreichen, wodurch ein neues Forschungsparadigma zur Aufdeckung der neuronalen Mechanismen in den tiefen Strukturen des Gehirns eröffnet wird.

Das Bild zeigt eine Maus, die ein miniaturisiertes Drei-Photonen-Mikroskop trägt (vom Forschungsteam bereitgestellt)

Zhao Chunzhu, Mitglied des Forschungsteams und Postdoktorand an der School of Future Technology der Peking-Universität, stellte vor, dass der Hippocampus unter der Großhirnrinde und dem Corpus callosum liegt und eine wichtige Rolle bei der Gedächtniskonsolidierung, dem räumlichen Gedächtnis und der emotionalen Kodierung spielt. Da jedoch das Hirngewebe, insbesondere das Corpus callosum, über eine hohe Streuungsfähigkeit für sich ausbreitende Lichtstrahlen verfügt, stellt das Durchbrechen des Corpus callosum zur Erzielung einer direkten Abbildung des tiefen Gehirns seit langem eine große Herausforderung für Neurowissenschaftler dar. Bisher war keines der international bekannten miniaturisierten Multiphotonenmikroskope in der Lage, den gesamten Kortex zu durchdringen und eine zerstörungsfreie Abbildung des Hippocampus durchzuführen.

Es wird berichtet, dass das neu entwickelte miniaturisierte Drei-Photonen-Mikroskop die bisherige Abbildungstiefengrenze auf einen Schlag durchbrochen hat: Der Anregungslichtpfad des Mikroskops kann die Großhirnrinde und das Corpus callosum der Maus durchdringen und ermöglicht so die direkte Beobachtung und Aufzeichnung der CA1-Subregion des Hippocampus der Maus. Die maximale Abbildungstiefe neuronaler Kalziumsignale kann 1,2 mm und die vaskuläre Abbildungstiefe 1,4 mm erreichen.

Dieser Durchbruch in der Bildtiefe ist auf das neue optische Konfigurationsdesign des Mikroskops zurückzuführen, das die Effizienz der Erfassung gestreuter Fluoreszenz verdoppelt hat. Darüber hinaus können mit dem Mikroskop neuronale Funktionsaktivitäten über einen langen Zeitraum und ohne Unterbrechung beobachtet werden, ohne dass es zu offensichtlichem Photobleichen und Lichtschäden kommt.

Das Bild zeigt die Verwendung eines miniaturisierten Drei-Photonen-Mikroskops zur Abbildung der Struktur der Großhirnrinde und der hippocampalen CA1-Subregion der Maus (bereitgestellt vom Forschungsteam).

Der Akademiker Cheng Heping, Direktor des Nationalen Zentrums für biomedizinische Bildgebungswissenschaften an der Peking-Universität, sagte, dass das Team mithilfe des Mikroskops den Kodierungsmechanismus von Neuronen in der sechsten Schicht des parietalen Kortex von Mäusen während des Greifens nach Jelly Beans untersucht habe und herausgefunden habe, dass etwa 37 % der Neuronen vor dem Greifen aktiv wurden und während des Greifens am aktivsten waren und etwa 5,6 % der Neuronen nach dem Greifen aktiv wurden.

„Dies zeigt, dass unterschiedliche Neuronen in unterschiedlichen Stadien an der Kodierung beteiligt sind, und demonstriert zudem vorläufig das Anwendungspotenzial miniaturisierter Drei-Photonen-Mikroskope in der Hirnforschung.“ Cheng Heping sagte, dass diese Bildgebungstechnologie dem Menschen ein wichtiges Werkzeug darstelle, um die Geheimnisse des Gehirns tiefer zu erforschen und die funktionelle Verbindungskarte des Gehirns aufzudecken.

Im Jahr 2017 entwickelte das Team um Cheng Heping erfolgreich die erste Generation eines miniaturisierten Zwei-Photonen-Mikroskops, das dynamische Bilder der Aktivität von Neuronen und Synapsen in der Großhirnrinde von Mäusen während ihres freien Verhaltens aufnahm. Im Jahr 2021 erweiterte das vom Team entwickelte miniaturisierte Zwei-Photonen-Mikroskop der zweiten Generation das Bildsichtfeld um das 7,8-fache und ist in der Lage, dreidimensionale Bilder der Funktionssignale Tausender Neuronen in der Großhirnrinde zu erhalten.