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Visualisierungstechnik: Lasermikroskop ermöglicht 3D-Flüge durchs Gehirn

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Hirnforscher träumen schon seit langem davon, alle Nervenzellen eines Gehirns dreidimensional darstellen zu können. Ein neues Lasermikroskop macht dies nun möglich - am Computer können Wissenschaftler durch ein durchsichtiges Gehirn fliegen.

Die begrenzte Auflösung von Tomografen ist ein Problem für Hirnforscher: Die Kernspin-Technik kommt auf etwa einen Millimeter, Computertomografen erreichen eine halben Millimeter - zu grob, um einzelne Nervenzellen und Synapsen zu erkennen. Wissenschaftler müssen die Gehirne von Mäusen deshalb meist Schicht für Schicht aufschneiden, um sie zu untersuchen.

Ein neues Lasermikroskop, das an der Technischen Universität Wien und am Max-Planck-Institut für Psychiatrie in München entwickelt wurde, könnte die Arbeit der Hirnforscher künftig extrem erleichtern. Das Mikroskop scannt das zu untersuchende Gehirn Schicht für Schicht, die Daten werden am Computer gesammelt und können anschließend als 3D-Grafik angezeigt werden.

Damit überhaupt ein Bild zustande kommt, mussten Hans-Ulrich Dodt und seine Kollegen ein echtes Mäusegehirn durchsichtig machen. "Wenn man ein Mäusegehirn in eine spezielle ölige Lösung gibt, wird es gläsern und kann im Mikroskop mit einem Laserstrahl von der Seite schichtweise durchleuchtet werden", sagte Dodt, Professor für Bioelektronik an der TU Wien. "Man kann sich das vorstellen wie bei einem Tropfen Öl auf einem Blatt Papier, das an dieser Stelle auch durchsichtig wird."

Aus den vielen Schichtaufnahmen konnten die Forscher Teile des neuronalen Netzwerks dreidimensional rekonstruieren - vergleichbar mit einer Computertomografie, jedoch mit viel höherer Auflösung. "Die Auflösung ist so hoch, dass man damit in Zukunft alle Nervenzellen sehen sollte. Das ist ein echter Durchbruch", sagte Dodt im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Derzeit liege die Auflösung bei etwa einem halben Mikrometer, sie lasse sich aber noch erhöhen.

Gefäße oder Nervenzellen im Gehirn brachten die Forscher mit Fluoreszenzmarkierungen in grüner Farbe zum Leuchten. Dank 3D-Visualisierung und der hohen Auflösung dieser Zellstrukturen sei es möglich, am Computer eine Art Flug durch das Gehirn zu simulieren, schreiben die Forscher im Fachblatt "Nature Methods". Der unter anderem für das Kurzzeitgedächtnis zuständige Hippocampus, in seiner Struktur an ein Seepferdchen erinnernd, sei dabei besonders interessant. Die Frage sei, wie dieser Teil des Gehirns mit Informationen umgehe und wie sich Synapsen bei Lernvorgängen veränderten.

Veränderungen im Gehirn können die Forscher mit dem sogenannten Ultramikroskop zwar nicht beobachten, denn das zu untersuchende Gewebe muss tot sein. Trotzdem glaubt Dodt, dass die Technik Einblicke in Hirnentwicklungen ermöglicht: "Man könnte Statistiken über Tiere machen, die man einer anregenden Umgebung aussetzt, in der sie viel wahrnehmen und lernen. Dann schaut man sich die Anzahl der Spines an. Ein Spine ist gewissermaßen die Empfängerhälfte der Synapse." Aufwendige Schnitte durchs Gehirn wären dann überflüssig.

Die Hirnforschung soll jedoch nicht die einzige Anwendung bleiben: "Auch eine Fruchtfliege - das Haustier der Genetiker - wird völlig durchsichtig", sagt Dodt. Mit der Methode könne man überprüfen, welche Auswirkungen Genmanipulationen auf einzelne Körperteile haben, etwa auf Muskeln.

Die Methode könnte in Zukunft auch im Unterricht eingesetzt werden, glaubt Todt. Bei einem am Computer simulierten Flug durch das gläserne Gehirn werde es für zukünftige Mediziner einfacher, das komplizierte Gewirr an Nervenzellen zu verstehen.

mit Material von ddp

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