Unser Gehirn besteht aus unzähligen Nervenzellen, die Signale von einer Zelle zur nächsten weiterleiten. Wer verstehen möchte, wie unser Gehirn funktioniert, der muss sich die Verbindungen zwischen diesen Zellen, die sogenannten Synapsen, anschauen. Und genau das hat jetzt ein US-Forscherteam in Zusammenarbeit mit Rainer Heintzmann vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena getan. Gemeinsam ist es dem Team gelungen, die Synapsen im Hirngewebe anhand ihrer Struktur zu identifizieren.

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Spezielles Mikroskop mit Licht-Keil

Dafür entwickelten sie ‒ unter der Leitung von Reto Fiolka und Kevin Dean ‒, an der Southwestern University Texas ein spezielles Lichtmikroskop. Mit diesem beleuchteten die Wissenschaftler eine etwa einen Millimeter große Hirngewebeprobe von der Seite ‒ und zwar mit keilförmig fokussiertem Licht. Während sich der Fokus dieses Licht-Keils verschob, wurden Bilddaten aufgenommen. Dank  maschinellem Lernen war die Wiedergabe von hochaufgelösten und maßstabsgetreuen Bildern möglich.  Letztendlich gelang es den Forschenden so, dreidimensionale Gewebestrukturen innerhalb der Zellen zu erkennen und sichtbar zu machen. Mit bis zu 260 nm ist die axiale Auflösung des Mikroskops sogar – je nach optischer Konfiguration -, drei- bis zehnmal höher als bei konfokalen (zwei Brennpunkte besitzenden) und bisherigen Lichtscheiben-Mikroskopen. Die dreidimensionale Bildgebung ermöglicht es zudem, multizelluläre Gewebestrukturen ebenso zu erkennen und zu klassifizieren wie einzelne Zellen. Ebenso ist es aber auch möglich, die seltenen Interaktionen zwischen Zellen zu erkennen.

Dazu Rainer Heintzmann, Leiter der Forschungsabteilung Mikroskopie am Leibniz-IPHT:

Rainer Heintzmann, Leibniz-IPHT ©Sven Döring/ Leibniz-IPHT

Diese Arbeit ist wegweisend. Synapsen nur aufgrund ihrer Struktur mit dem Lichtmikroskop in millimetergroßen Gewebeblöcken zu erkennen, ist ein lang gehegter Wunsch von Wissenschaftlern gewesen.“

Human Cell Atlas

Heintzmann berechnete die zu erwartende Lichtverteilung und somit die Qualität des Keil-Fokus. „Die Rechnungen sind für das optische Design des Instruments wichtig“, erläutert Rainer Heintzmann. „Sie berücksichtigen den unerwünschten Einfluss, den der nicht-ideale Brechungsindex des Einbettungsmediums auf die Qualität des Fokus‘ hat.“ Das Forscherteam hofft, dass die Methode dazu beitragen könne, einen Atlas der menschlichen Zellen zu erstellen.

Weltweit arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nämlich daran, die Gesamtheit aller Zellen im menschlichen Körper dreidimensional abzubilden und zu charakterisieren. Dieser „Human Cell Atlas“ soll dazu beitragen, besser zu verstehen, wie grundlegende Prozesse in unserem Organismus ablaufen. Auch soll er verdeutlichen, wie sie sich verändern, wenn wir krank werden. Man vermutet, so bessere Behandlungen ermöglichen zu können.