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Spektakuläre 3-D-Bilder: Neuroforscher beobachten Hirnzellen bei der Arbeit

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Schweizer Forschern ist ein spektakulärer Blick ins Gehirn von Mäusen gelungen. Mit einer neuen Mikroskopietechnik haben sie aktive Neuronen beobachtet - in Echtzeit und in 3D. Die Technik soll auch den Kampf gegen Alzheimer und Parkinson voranbringen.

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Berlin - Das Projekt ambitioniert zu nennen, ist eine Untertreibung. Innerhalb von zehn Jahren wollen Neuroforscher eines Konsortiums unter Führung der École Polytechnique Fédérale (EFPL) im schweizerischen Lausanne das menschliche Gehirn in einem Supercomputer nachbauen. Soll das Mega-Vorhaben tatsächlich den versprochenen Erfolg bringen, müssen die Wissenschaftler noch viel über die Abläufe im Gehirn lernen. Dabei kann ihnen nun ein spektakuläres Mikroskopieverfahren helfen, das am Brain Mind Institute der Hochschule entscheidend vorangetrieben worden ist.

Mit der sogenannten Digitalen Holografischen Mikroskopie (DHM) ist es Wissenschaftlern um Institutschef Pierre Magistretti gelungen, Hirnzellen von Mäusen bei der Arbeit zuzusehen - in Echtzeit und in 3D. Im "Journal of Neuroscience" berichtet das Team, dass die von Natur aus quasi durchsichtigen Neuronen dafür noch nicht einmal besonders vorbereitet werden mussten. "Wir benutzen keine Farbstoffe", sagt Magistretti im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE.

Für ihre spektakulären Aufnahmen nutzen die Forscher einen Laser. Dessen Strahl hat eine konstante Wellenlänge - im konkreten Fall 683 Nanometer - und wird in zwei Teile aufgespalten. Dann wird die eine Hälfte des Lichts auf die zu untersuchende Probe gelenkt. Die andere Hälfte wird dagegen einfach weitergeleitet und dient später als Vergleichsgrundlage. Auf seinem Weg durch die Zelle wird der Teilstrahl nämlich abgelenkt. Durch den Vergleich mit dem Referenzstrahl lässt sich die dafür verantwortliche Form mit verblüffender Genauigkeit rekonstruieren.

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Spektakuläre Bilder: Laser spioniert Nervenzellen aus
Tut sich etwas in der Zelle, dann wird das einströmende Licht jeweils ein wenig anders gebrochen - ein neues Bild entsteht. Bisher war die Digitale Holografische Mikroskopie vor allem im Bereich der Materialwissenschaften eingesetzt worden. Im Computer entstehen aus der Überlagerung der beiden Laser-Teilstrahlen atemberaubende Bilder von ungekannter Präzision.

Magistretti sagt, die neuen Zellfotos seien bis zu 50-mal schärfer als bisherige Bilder. Vor allem bei der räumlichen Tiefe sei das neue Verfahren überlegen. Selbst zehn Nanometer - also zehn Millionstel Millimeter - kleine Höhenunterschiede seien gut erkennbar. Abhängig von der verwendeten Kamera könne man außerdem 500 oder gar 1000 Bilder in der Sekunde erzeugen, verspricht der Forscher.

Verfahren soll Medikamententests voranbringen

Und die Kollegen sind begeistert: "Der Einsatz holografischer Verfahren in den Lebenswissenschaften befindet sich derzeit noch in der Anfangsphase", sagt Björn Kemper vom Centrum für Biomedizinische Optik und Photonik der Universität Münster. Die Schweizer demonstrierten nun aber eine neurowissenschaftliche Anwendung, bei der das Verfahren seine Vorteile voll ausspielen könne: "Die Ergebnisse tragen in hohem Maße zur Etablierung dieser Messmethode im Life Cell Imaging Bereich bei", zeigt sich Kemper sicher.

Die möglichst genaue Darstellung lebender Zellen ist nicht nur für Grundlagenforscher interessant. Magistretti glaubt, dass auch die Entwicklung neuer Medikamente gegen neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson davon profitieren kann. Er verspricht einen hohen Geschwindigkeitsgewinn beim Test neuer Wirkstoffe: "Das Verfahren ist schnell, man kann es in Zellkulturen durchführen, und es ist ziemlich sensibel."

Weil nicht jede Zelle mühsam mit Mess-Elektroden versehen werden muss, können Zellkulturen gleich mit einer ganzen Armada von Wirkstoffmolekülen traktiert werden. In einem ersten Test haben sich die Forscher angesehen, wie die Mäuseneuronen auf den erregenden Neurotransmitter Glutamat reagieren. Dabei haben sie auch einen Weg gefunden, wie sie den bevorstehenden Tod einer Hirnzelle innerhalb von 30 Minuten bestimmen können.

Pierre Magistretti ist sich sicher, dass sein Verfahren schon bald weitere wichtige Ergebnisse liefern wird: "Man muss eigentlich nichts machen, außer die Zellen zu beobachten."

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insgesamt 8 Beiträge
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1. Die Frage ist doch...
klausdiemaus 17.08.2011
Zitat von sysopSchweizer Forschern ist ein spektakulärer Blick ins Gehirn von Mäusen gelungen. Mit einer neuen Mikroskopie-Technik*haben sie*aktive Neuronen beobachtet - in Echtzeit und in 3D.*Die Technik soll eines Tages auch den Kampf gegen Alzheimer und Parkinson voranbringen. http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,780718,00.html
.. was leiten die Wissenschaftler davon ab, wenn sich manche Zellen aktiv gebärden und andere eben nicht. Verstehen wir dadurch etwa, wie Denken funktioniert, was Denken eigentlich ist? So toll diese neuen Möglichkeiten auch sein mögen - den eigentlich entscheidenden Fragen nähern wir uns dadurch leider kaum.
2. Die Eigentlichen Fragen . . . . .
seppiverseckelt 17.08.2011
Zitat von klausdiemaus.. was leiten die Wissenschaftler davon ab, wenn sich manche Zellen aktiv gebärden und andere eben nicht. Verstehen wir dadurch etwa, wie Denken funktioniert, was Denken eigentlich ist? So toll diese neuen Möglichkeiten auch sein mögen - den eigentlich entscheidenden Fragen nähern wir uns dadurch leider kaum.
...und die "Uneigentlichen" ??? Zunächst einmal haben DIESE Forscher hier gar nicht das Versprechen abgegeben das "DENKEN zu VERSTEHEN oder zu BEOBACHTEN"..... ! Ich verstehe Sie schon dahingehend dass Sie einmal mehr die sog "Leib-Seele" oder "Materie-Geist" Frage ansprechen... Naturwissenschaft wie Sie uns prinzipiell zugänglich und zu betreiben möglich ist setzt an dem an was unwiederlegbar, also durch wiederholte Messvorgänge zuverlässig Reproduzierbar ist ! Beim "Geist" sind wir so weit noch lange nicht. Kurz- was hier spektakulär vorgeführt wird ist die Begegnung von BIO-Chemie also Struktur lebendiger materie höchster Differenzierung und Veränderung derselben in der Zeit, einerseits, mit präzisest-möglichen Physikalischen Mess und Darstellungsmethoden andererseits mit dem Ziel erstere-, die BIO-Chemie nämlich,immer besser bis in feinste Details zu verstehen- ein legitimes unterfangen ! Dass einem dabei der "Geist" nicht direkt vor die Füsse plumpst steht auf eienem anderen Blatt geschrieben. Der Streit darüber wie diesem Fundamentalen Problem beizukommen wäre,tobt schon sehr lange Wie uns der unvergessenen Hoimar von Ditfurth bereits ende der 70 er Jahre in seinem vielleicht allerbesten Populärwissenschaftlichen Buch "Der Geist fiel nicht vom Himmel" erklärt , stritten sich schon Ende des 19. Jahrhunderts zwei Gehirnforscher Ihrer Zeit wie folgt um die richtige Einsicht: Forscher Nummer 1. -ein Norddeutscher gelehrter,- beharrte bei einer Konferenz auf der Feststellung... "So wie die Nieren den Urin "produzieren",- genau SO produziert das Gehirn die Gedanken bzw. den "Geist""... worauf Forscher Nummer 2.) -Schweizerischer Provenienz!- schlagfertig Antwortete "Verehrter Kollege- wenn ich IHNEN so zuhöre, komme ich beinahe auf die Idee:GENAU SO IST ES !" ;-)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))) Ich denke Sie haben den Witz bei der Sache genau verstanden und ausserdem einen wertvollen Literaturhinweis zu dieser Sache erhalten- schönen Abend noch !
3. Hype
makutsov 17.08.2011
Die Änderungen in Form von Zellen und ihrer Doppelbrechung sind seit 40 Jahren bekannt und werden schon lange in einer Reihe optischer bildgebender Verfahren eingesetzt. So ein riesiger Fortschritt ist das hier nicht. Die Jungs können nichts, was man mit einem flachen Multielektrodenarray nicht auch könnte.
4. Wenn ich...
MarkusRiedhaus 17.08.2011
Zitat von klausdiemaus.. was leiten die Wissenschaftler davon ab, wenn sich manche Zellen aktiv gebärden und andere eben nicht. Verstehen wir dadurch etwa, wie Denken funktioniert, was Denken eigentlich ist? So toll diese neuen Möglichkeiten auch sein mögen - den eigentlich entscheidenden Fragen nähern wir uns dadurch leider kaum.
Wenn ich solche Pseudofragen schon lese kann ich eher müde lächeln, da man Menschen anmerkt noch nie mit Demenzkranken gearbeitet oder Kleinkinder in dem Alter zusammen gelebt zu haben wo sie noch nicht verstanden was ein "Ich" bzw. sie selbst ist und wie man andere Individuen von umkippenden Gegenständen unterscheiden kann. Man sollte sich eher fragen, warum man den "Geist" einer anderen Person nicht sehen kann...oder vielleicht doch? ;-) Es ist eher das alte Spiel vom Beschreiben. Ein Mensch der nicht gerade dement bzw. geistig eingeschränkt oder ein Kleinkind ohne Selbstreflektion ist, beobachtet die Natur auch andere Individuen und macht sie zum Betrachtungsobjekt. Natürlich alles innerhalb seiner eigener Intrinsischkeit. Man kann die Intrinsischkeiten anderer Individuen i.d.R. nicht subjektiv "wahrnehmen" Außer wenn zwei Menschen zu einem verschmolzen sind wie die Hoganzwillinge: http://www.nytimes.com/2011/05/29/magazine/could-conjoined-twins-share-a-mind.html?pagewanted=all (Could Conjoined Twins Share a Mind? - NY Times) Diese können, natürlich, weil ihre Gehirne und damit auch ihre "Bewusstseine" verschmolzen sind die Gedanken der jeweils anderen erleben, auch die Träume, selbst wenn nur die eine schläft. Mit bissel neurowissenschaftlichem Fortschritt ginge das auch künstlich. Aber beschreiben geht das natürlich. Gehirnaktivität X, Y, Z, von Probant X ist dann Max Mustermann denkt grad an Kartoffelsalat. Wenn die Amygdala kaputt ist, kann man keine Angst wahrnehmen: http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,735145,00.html (Die Frau die keine Furcht kennt - Spiegel) Du liebes bisschen. Gedanken werden tatsächlich nicht "produziert" sie sind nur andere Worte für Gehirnregionenaktivitäten aber da weiß man nicht was der Schweizer so drüber denkt. Manche sind ja tatsächlich der Meinung es wäre eine Art "lichterner Schemen". Wie die "Seelen" immer in diesen billigen Hollywood-Schinken dargestellt werden. Als "Geisterhafte durchsichtige Gestalten". Als "Abbilder" die flüchtiger sind als ein Gedanke. Das sind die wahren Schenkelklopfer, weisen diese Skurrilitäten der Vorzeit doch leider nicht annähernd die Komplexität auf um als adäquate Äquivalente zu den Bewusstseinsinhalten und der Persönlichkeitsstruktur zu dienen. Diese Komplexität erweist nur die materielle Pampe unter der Schädeldecke. Es ist schon traurig wenn man das Komplizierte Materie verleugnen muss zuGunsten simplifizierter Projektionsflächen...
5. Hallo ???
seppiverseckelt 17.08.2011
Zitat von MarkusRiedhausWenn ich solche Pseudofragen schon lese kann ich eher müde lächeln, da man Menschen anmerkt noch nie mit Demenzkranken gearbeitet oder Kleinkinder in dem Alter zusammen gelebt zu haben wo sie noch nicht verstanden was ein "Ich" bzw. sie selbst ist und wie man andere Individuen von umkippenden Gegenständen unterscheiden kann. Man sollte sich eher fragen, warum man den "Geist" einer anderen Person nicht sehen kann...oder vielleicht doch? ;-) Es ist eher das alte Spiel vom Beschreiben. Ein Mensch der nicht gerade dement bzw. geistig eingeschränkt oder ein Kleinkind ohne Selbstreflektion ist, beobachtet die Natur auch andere Individuen und macht sie zum Betrachtungsobjekt. Natürlich alles innerhalb seiner eigener Intrinsischkeit. Man kann die Intrinsischkeiten anderer Individuen i.d.R. nicht subjektiv "wahrnehmen" Außer wenn zwei Menschen zu einem verschmolzen sind wie die Hoganzwillinge: http://www.nytimes.com/2011/05/29/magazine/could-conjoined-twins-share-a-mind.html?pagewanted=all (Could Conjoined Twins Share a Mind? - NY Times) Diese können, natürlich, weil ihre Gehirne und damit auch ihre "Bewusstseine" verschmolzen sind die Gedanken der jeweils anderen erleben, auch die Träume, selbst wenn nur die eine schläft. Mit bissel neurowissenschaftlichem Fortschritt ginge das auch künstlich. Aber beschreiben geht das natürlich. Gehirnaktivität X, Y, Z, von Probant X ist dann Max Mustermann denkt grad an Kartoffelsalat. Wenn die Amygdala kaputt ist, kann man keine Angst wahrnehmen: http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,735145,00.html (Die Frau die keine Furcht kennt - Spiegel) Du liebes bisschen. Gedanken werden tatsächlich nicht "produziert" sie sind nur andere Worte für Gehirnregionenaktivitäten aber da weiß man nicht was der Schweizer so drüber denkt. Manche sind ja tatsächlich der Meinung es wäre eine Art "lichterner Schemen". Wie die "Seelen" immer in diesen billigen Hollywood-Schinken dargestellt werden. Als "Geisterhafte durchsichtige Gestalten". Als "Abbilder" die flüchtiger sind als ein Gedanke. Das sind die wahren Schenkelklopfer, weisen diese Skurrilitäten der Vorzeit doch leider nicht annähernd die Komplexität auf um als adäquate Äquivalente zu den Bewusstseinsinhalten und der Persönlichkeitsstruktur zu dienen. Diese Komplexität erweist nur die materielle Pampe unter der Schädeldecke. Es ist schon traurig wenn man das Komplizierte Materie verleugnen muss zuGunsten simplifizierter Projektionsflächen...
...Sie Unterstellen mir, ich verträte persönlich eine jener -historischen!-Ansichten welche ich beispielhaftZitierte- ...dem ist NICHT So !!! Ich brachte dieses Anschauliche Beispiel einzig und alleine um "KlausdieMaus" vor augen zu führen wie ungeheuer Originell und "Rechtzeitig" er mit seiner in Frageform gekleideten Sicht der Dinge daherkommt-Verstanden ???
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"Human Brain Project": Wie das Hirn im Rechner entstehen soll

Kurzer Wegweiser durch das Gehirn
Gehirn: Steuerzentrale des Körpers
Als Gehirn bezeichnet man den im Kopf gelegenen Abschnitt des Nervensystems, der die zentrale Steuerungszentrale des Körpers bildet. Bei höher entwickelten Tieren bildet das Gehirn zusammen mit dem Rückenmark das Zentralnervensystem. In ihm sind die Sinneszentren und übergeordnete Schaltzentren (Koordinations- und Assoziationszentren) zusammengefasst. Es ist für die Ausbildung komplizierter Handlungsabläufe, für die Fähigkeit des Gedächtnisses und für die Ausprägung von Denken, Gefühlen, Bewusstsein und Intelligenz verantwortlich.
Gehirnteile: Vorderhirn, Mittelhirn, Rautenhirn
Das menschliche Gehirn und auch das Gehirn vieler Tiere ist in drei Hauptteile gegliedert: Vorderhirn, Mittelhirn und Rautenhirn. Schon bei niederen Wirbeltieren entstehen aus dem Vorderhirn (Prosencephalon) das der Nase zugeordnete Endhirn (Großhirn) und das den Augen zugeordnete Zwischenhirn. Das Mittelhirn (Mesencephalon) bleibt ungegliedert erhalten. Das Rautenhirn (Rhombencephalon) gliedert sich weiter auf in das Hinterhirn mit dem Kleinhirn und der Brücke sowie in das verlängerte Mark, das den Übergang zum Rückenmark bildet. Mit zunehmender Höherentwicklung vergrößern sich die Teile und differenzieren sich weiter.
Großhirn: Spezialität des menschlichen Gehirns
Speziell für das menschliche Gehirn ist die Größe und Komplexität des Großhirns. Die Faltung seiner Oberfläche bewirkt eine enorme Oberflächenvergrößerung, so dass es die übrigen Hirnteile überwölbt. Das Großhirn ist das Zentrum für unsere geistigen und seelischen Fähigkeiten und damit für die komplexesten Gehirnleistungen. Es besteht aus zwei Hälften (Hemisphären), die durch ein dickes Bündel Nervenfasern, den sogenannten Balken, miteinander verbunden sind.
Großhirnrinde: Sitz der "grauen Zellen"
Die äußere Schicht des Großhirns wird als Großhirnrinde (Cortex cerebri, kurz Cortex) bezeichnet. Sie ist nur etwa zwei bis fünf Millimeter dick und enthält die erstaunliche Menge von 10 bis 14 Milliarden Nervenzellen. Wenn Gehirne in Formalin haltbar gemacht werden, sieht die Großhirnrinde grau aus. Sie wird deshalb auch als graue Substanz bezeichnet und umgangssprachlich spricht man oft von "grauen Zellen". Der übrige Teil des Großhirns besteht aus Nervenfasern, welche die Nervenzellen mit anderen Hirnteilen verbinden. Dieser Teil wird auch als weiße Substanz bezeichnet.


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