Hochgeschwindigkeitsmikroskop kann Einblick in Autismus, Schizophrenie bieten

Bestimmte Erkrankungen des Gehirns wie Schizophrenie, Autismus und geistige Behinderung werden vermutlich durch eine Fehlfunktion in der Kommunikation der Gehirnzellen verursacht und weisen keine leicht erkennbaren physischen Anzeichen auf, die zur Diagnose führen. Tatsächlich können selbst fMRIs und PET-Scans in diesen Fällen nur begrenzte Details der Gehirnaktivität liefern.

Jetzt haben Neurowissenschaftler an der University of California in Los Angeles (UCLA) gemeinsam mit Physikern ein nicht-invasives Hochgeschwindigkeitsmikroskop entwickelt, das sofort das Abfeuern von Tausenden von Neuronen im Gehirn erfasst, wenn diese kommunizieren - oder in diesen Fällen - Missverständnisse miteinander.

"Aus unserer Sicht ist dies das weltweit schnellste Zwei-Photonen-Anregungsmikroskop für die dreidimensionale Bildgebung in vivo", sagte UCLA-Physikprofessor Dr. Katsushi Arisaka, der das optische Bildgebungssystem zusammen mit Dr. Carlos Portera-Cailliau, UCLA-Assistenzprofessor, entwickelte für Neurologie und Neurobiologie sowie Kollegen.

Da neuropsychiatrische Erkrankungen wie Autismus, Schizophrenie und geistige Behinderung normalerweise keine physischen Hirnschäden aufweisen, wird angenommen, dass sie durch Leitfähigkeitsprobleme verursacht werden - Neuronen feuern nicht richtig. Normale Zellen haben elektrische Aktivitätsmuster, sagte Portera-Cailliau, aber eine unregelmäßige Zellaktivität als Ganzes schafft keine nützlichen Informationen, die das Gehirn verwenden kann.

"Eine der größten Herausforderungen für die Neurowissenschaften im 21. Jahrhundert besteht darin, zu verstehen, wie die Milliarden von Neuronen, die das Gehirn bilden, miteinander kommunizieren, um komplexe Verhaltensweisen hervorzurufen", sagte er.

"Der ultimative Nutzen dieser Art von Forschung wird darin bestehen, zu entschlüsseln, wie dysfunktionale Aktivitätsmuster zwischen Neuronen bei einer Vielzahl von neuropsychiatrischen Erkrankungen zu verheerenden Symptomen führen."

Vor kurzem hatte Portera-Cailliau die Calcium-Bildgebung verwendet, eine Methode, bei der Neuronen fluoreszierende Farbstoffe aufnehmen. Wenn die Zellen feuern, „blinken sie wie Lichter in einem Weihnachtsbaum“, sagte er. "Unsere Aufgabe ist es nun, den Code zu entschlüsseln, den Neuronen verwenden und der in diesen blinkenden Lichtmustern vergraben ist."

Laut Portera-Cailliau hat diese Technik jedoch ihre Grenzen.

„Das Signal des von uns verwendeten fluoreszierenden Farbstoffs auf Kalziumbasis verblasste, als wir tiefer in den Kortex eindrangen. Wir konnten uns nicht alle Zellen vorstellen “, sagte er.

Außerdem glaubten Portera-Cailliau und sein Team, dass ihnen wichtige Informationen fehlten, da sie einen ausreichend großen Teil des Gehirns nicht schnell genug erfassen konnten, um das Gruppenfeuer einzelner Neuronen zu messen. Dies war der Schlüsselfaktor, der Arisaka und Adrian Cheng, einen seiner Doktoranden, dazu veranlasste, nach einer schnelleren Methode zur Aufzeichnung von Neuronen zu suchen.

Das von ihnen entwickelte Mikroskop ist eine multifokale Zwei-Photonen-Mikroskopie mit räumlich-zeitlichem Anregungs-Emissions-Multiplexing (STEM). Es handelt sich um eine modifizierte Version von Zwei-Photonen-Laser-Scanning-Mikroskopen, die fluoreszierende Calciumfarbstoffe in den Neuronen aufzeichnen, wobei der Hauptlaserstrahl jedoch in vier kleinere Strahlen aufgeteilt ist.

Mit dieser Technik können sie viermal mehr Gehirnzellen als in der Originalversion aufzeichnen, viermal schneller. Außerdem wurde ein anderer Strahl verwendet, um Neuronen in verschiedenen Tiefen des Gehirns aufzuzeichnen, wodurch das Bild einen völlig neuen 3D-Effekt erhielt.

„Die meisten Videokameras sind so konzipiert, dass sie ein Bild mit 30 Bildern pro Sekunde aufnehmen. Wir haben das um das Zehnfache auf ungefähr 250 Bilder pro Sekunde beschleunigt “, sagte Arisaka. "Und wir arbeiten daran, es noch schneller zu machen."

Das Ergebnis, sagte er, "ist ein hochauflösendes dreidimensionales Video der Aktivität neuronaler Schaltkreise in einem lebenden Tier."

Portera-Cailliau profitiert bereits in seinen Studien zum Fragile X-Syndrom, einer Form von Autismus, von den Vorteilen dieser Bildgebungstechnik. Mit dieser neuen Technologie kann er den Kortex einer normalen Maus mit einer mutierten Fragile X-Maus vergleichen und die Fehlzündung von Neuronen im Fragile X-Gehirn beobachten.

Die Studie ist in der Ausgabe vom 9. Januar der Zeitschrift zu finden Naturmethoden.

Quelle: Universität von Kalifornien