Neues Hightech-Mikroskop für die Hirnforschung

Am Institut für Neurobiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ist ein neues Großgerät in Betrieb gegangen: ein FLIM-Multiphotonen-Laserscanning-Mikroskop. Mit ihm sollen Ionenverschiebungen, insbesondere von Natriumionen, innerhalb von Nervengeweben gemessen werden. Dies kann neue Aufschlüsse sowohl über grundlegende Hirnfunktionen als auch über Fehlfunktionen bei neurodegenerativen Erkrankungen geben.

Das Element Natrium ist für neuronale Prozesse im lebendem Organismus von großer Bedeutung. Durch eine niedrige Konzentration von Natriumionen innerhalb von Nervenzellen können zum Beispiel die elektrischen Signale im Gehirn erst generiert werden. Ist die Natriumkonzentration in den Zellen dauerhaft erhöht, kann dies mit Funktionsverlusten einhergehen und Nervenzellen schädigen, was zur Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen beitragen kann.

Das HHU-Institut für Neurobiologie um Prof. Dr. Christine Rose zählt zu den Pionieren und weltweit anerkannten Experten auf dem Gebiet der Natriummessung in Gehirnzellen und hat dabei einige wichtige Beiträge zum Verständnis von Gehirnprozessen geliefert. So stellten die Düsseldorfer Forschenden unter anderem fest, dass Aktivität von Nervenzellen zu einem vorübergehenden Anstieg der Natriumkonzentration führt, was wiederum viele zelluläre Prozesse beeinflusst.

Ein wichtiges Werkzeug der Düsseldorfer Arbeitsgruppe ist die sogenannte Multiphotonen-Laserscanning-Mikroskopie. Bei dem nun neu beschafften Mikroskop handelt es sich um ein System mit einer Erweiterung für sehr schnelle Fluoreszenzlebenszeitmessungen (FLIM) und einer Optogenese-Einheit. Es erlaubt, Natriumveränderungen in kleinsten zellulären Kompartimenten im intakten Gehirngewebe quantitativ zu erfassen und lässt auch genaue Rückschlüsse auf die Verteilung verschiedener anderer Ionen zu.

Die Anschaffung des Geräts wurde im Rahmen einer Großgerätebeschaffung möglich, deren Kosten von Bund, Land Nordrhein-Westfalen und der HHU gemeinsam tragen. Dabei wurde ein sehr leistungsfähiges, kommerziell erhältliches Mikroskop in Zusammenarbeit mit den Herstellern von Laborleiter Dr. Karl Kafitz und seinen Kollegen Dr. Jan Meyer und Dr. Niklas Gerkau vom Institut für Neurobiologie modifiziert. Sie fügten unter anderem neue Komponenten hinzu, die an der HHU entwickelt und in den Zentralwerkstätten der Biologie hergestellt bzw. angepasst wurden. Dazu Dr. Kafitz: „Das neue System konnten wir optimal an unsere speziellen Erfordernisse anpassen, sodass wir in Zukunft Experimente mit bisher nicht erreichter Sensitivität, Geschwindigkeit und Effizienz durchführen können.“

Institutsleiterin Prof. Dr. Christine Rose: „Das FLIM-Multiphotonen-Laserscanning-Mikroskop wird entscheidend dazu beitragen, die zellulären Mechanismen der Schädigung von Hirngewebe bei Energiemangel besser analysieren zu können und damit auch ihre Ursachen besser zu verstehen.“ Damit wird das Gerät wichtige Dienste für die durch Prof. Rose an der HHU koordinierte DFG-Forschungsgruppe 2795 ‚Synapsen unter Stress‘ leisten.

Zum Gerät

Das neue System hat neben einer exzellenten Detektionseffizienz eine sehr schnelle Bildwiederholungsrate, die durch spezielle Einbauten erreicht wurde. Darüber hinaus hat es eine überdurchschnittliche Auflösung von bis zu 4096×4096 Pixeln pro Bild (bei gleichzeitig sehr geringer Pixelgröße). Damit sind sowohl die räumliche als auch die zeitliche Auflösung sehr hoch, was eine hervorragende optische Qualität bei größtmöglicher Effizienz erlaubt.

Eine weitere Besonderheit des Geräts ist die Möglichkeit zu sehr schnellen dynamischen Multiphotonen-Fluoreszenzlebenszeitmessungen. Schließlich kann gleichzeitig zur Messung eine Photoaktivierung über ein Galvanometer-basiertes Flashsystem realisiert werden.

Institut für Neurobiologie (INB) der HHU

Unter Leitung von Prof. Dr. Christine R. Rose widmet sich das Team der Neurobiologie der Aufklärung und Untersuchung der zellulären Ionendynamik im Gehirn von Wirbeltieren. Die Forschenden interessieren sich vor allem für die intrazelluläre Natriumregulation und Natriumveränderungen in Nerven- und Gliazellen sowie für deren Rolle bei Funktionsstörungen des Gehirns wie zum Beispiel bei Epilepsien oder Schlaganfall.

Bildunterschrift:
3D-Rekonstruktion eines optischen Stapels von Multiphotonen-Bildern des Hippocampus, einer Region, die eine entscheidende Rolle für das Lernen und das Gedächtnis spielt. Die Bilder wurden mit dem neuen Großgerät generiert und zeigen Neuronen (türkis) und Astrozyten (rot) im lebenden Hirngewebe. (Foto: HHU / Institut für Neurobiologie – Jan Meyer)

Weitere Informationen:

https://www.neurobiologie.hhu.de/
https://www.neurobiologie.hhu.de/institutsportrait
https://www.for2795.hhu.de/
https://www.dasgehirn.info/krankheiten/schlaganfall