Rockefeller University entwickelt TrUDI-Plattform für tiefe Hirnbildgebung
Ein neu konzipiertes Drei-Photonen-Mikroskop zeichnet neuronale Aktivität in intakten Mäusehirnen mit Einzelzellauflösung auf.
Von Letizia Giugliano
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Biophysiker der Rockefeller University haben ein Mikroskopiesystem entwickelt, das neuronale Aktivität tief im lebenden Hirngewebe aufzeichnet, ohne dass darüberliegende Schichten chirurgisch entfernt werden müssen. Die in Nature Methods beschriebene technische Innovation steigert die Effizienz der Drei-Photonen-Bildgebung um etwa das 250-Fache und schützt dabei empfindliche neuronale Strukturen vor Hitzeschäden.
Drei-Photonen-Optik von Grund auf neu aufgebaut
Die Bildgebung einzelner Neuronen im lebenden Gewebe stellt eine anhaltende physikalische Herausforderung dar, weil die Hirnstrukturen von Säugetieren Licht streuen. Je tiefer die optischen Strahlen ins Gewebe eindringen, desto mehr erzeugt das gestreute Licht einen Hintergrundschein, der die zelluläre Aktivität überdeckt. Standard-Zwei-Photonen-Mikroskope erreichen üblicherweise Tiefen von etwa 0,8 Millimetern, während herkömmliche Drei-Photonen-Aufbauten funktionale Aufzeichnungsgrenzen von etwa 1,2 Millimetern erreicht hatten und damit unter der theoretischen physikalischen Schwelle von 2,3 Millimetern im Mausgewebe blieben, wie MedicalXpress berichtet.
Um diese Lücke zu schließen, entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Alipasha Vaziri, Leiter des Laboratory of Neurotechnology and Biophysics an der Rockefeller University, eine optische Erfindung namens Three-photon Ultra-Deep Imaging, kurz TrUDI. Statt vorhandene kommerzielle Komponenten anzupassen, modellierte die Gruppe die Grenzen der optischen Ausbreitung rechnerisch und baute die Hardware-Konfiguration von Grund auf neu.
„Wir wollten einen Ansatz mit einem völlig neuen Ausgangspunkt verfolgen.“
— Alipasha Vaziri, Leiter des Laboratory of Neurotechnology and Biophysics an der Rockefeller University
Höhere Pulsenergie und gezieltes Abtasten von Zellen
Die Multiphotonen-Anregung erfordert eine hohe Laserintensität, doch eine Erhöhung der mittleren Laserleistung überhitzt und schädigt lebende Hirnzellen. Das Engineering-Team löste dieses operative Hindernis, indem es weniger Laserpulse mit deutlich höherer individueller Pulsenergie abgab und so die insgesamt mittlere thermische Belastung innerhalb sicherer Grenzwerte hielt.
Die Forscher änderten zudem, wie das Mikroskop Licht fokussiert und das Gewebe abtastet. Das System enthält einen Anregungsmechanismus, der einzelne Zellen erkennt und den Laserstrahl nur dann abfeuert, wenn er über diese Zielneuronen streicht. Dieser selektive Abtastansatz reduziert die Gesamtexposition des Gewebes gegenüber Laserstrahlung bei längeren Bildgebungsexperimenten um bis zu 80 Prozent, wie MedicalXpress ausführt.
Signale aus intaktem Hippocampus und Striatum erfassen
Die maßgeschneiderte Prototyp-Plattform erzielte eine 250-fache Steigerung der Bildgebungseffizienz im Vergleich zu früheren Drei-Photonen-Konfigurationen. Diese Leistung ermöglichte es den Forschern, funktionale Aktivität im gesamten Mauskortex aufzuzeichnen und tiefere Strukturen wie den Hippocampus und das Striatum zu untersuchen, ohne das darüberliegende kortikale Hirngewebe zu entfernen.
In der Studie dokumentierte Versuchsreihen verfolgten die neuronale Aktivität in Mäusen, die fluoreszierende Indikatoren wie GCaMP8m und das grün fluoreszierende Protein Thy1-EGFP exprimierten. Das Team demonstrierte volumetrische Bildgebung über ein Sichtfeld von 230 mal 230 mal 1.680 Kubikmikrometern und erfasste einzelne transiente zelluläre Signale, die zuvor durch optische Streuung verdeckt worden waren, so MedicalXpress – ein bedeutender biomedizinischer Innovationsschritt für die Neurobildgebung im tiefen Gewebe.
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