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Ein im Gehirn gedrehter Zeitrafferfilm
Mit einem neuartigen Mikroendoskop können Wissenschaftler über Tage, Wochen oder sogar Monate Nervenzellen und Blutgefäße tief im Gehirn eines lebenden Tieres beobachten. Ein Team unter der Leitung von Mark Schnitzer , außerordentlicher Professor für Biologie und angewandte Physik an der Stanford University, entwickelte das Endoskop – ein optisches Instrument, das verwendet wird, um in den Körper zu blicken – zusammen mit einem System, um es immer wieder an derselben Stelle einzuführen. Diese Funktion ermöglichte es Wissenschaftlern, Veränderungen in winzigen Merkmalen zu verfolgen, wie zum Beispiel die Verbindungen zwischen Zellen im Gehirn.
Brainskop: Mithilfe eines tief im Gehirn implantierten Mikroendoskops können Forscher sehen, dass die Blutgefäße, die einen Tumor versorgen, mit der Zeit verzerrt werden.
Ich denke, es wird ein wirksames Werkzeug sein, um die Eigenschaften von Zellen über lange Zeiträume als Reaktion auf Veränderungen in der Umgebung, im Laufe des Lernens, während des Alterns oder des Fortschreitens von Krankheiten zu verfolgen, sagt Schnitzer. Einige Entwicklungs- und neurodegenerative Erkrankungen zum Beispiel schädigen Verbindungen zwischen Neuronen tief im Gehirn.
Von besonderem Interesse für Neurowissenschaftler ist der Hippocampus, ein Bereich tief im Gehirn, der für das Gedächtnis entscheidend ist. Bisher konnten Wissenschaftler solche Regionen nur mit hochinvasiven Methoden und zu einem einzigen Zeitpunkt im Detail betrachten. Aber viele Hirnerkrankungen treten langsam auf, sagt Schnitzer. Wir wollen nicht nur eine Momentaufnahme, wir wollen einen Zeitraffer [Film] auf einer Zeitskala, die für das Fortschreiten der Krankheit relevant ist.
Das Team von Schnitzer entwickelt das Mikro-Endoskop seit mehreren Jahren. Sie wird als optische Nadel bezeichnet und hat an ihrer Spitze einen Durchmesser von 500 bis 1.000 Mikrometer – etwa die Hälfte der Breite eines Reiskorns. Während das Gerät einer verkleinerten Version der heute üblicherweise in der Chirurgie verwendeten Endoskope ähnelt, unterscheidet sich die winzige Linse geringfügig. Aufgrund der geringen Größe des Geräts ist eine gebogene Linse, die für die meisten Mikroskope typisch ist, unpraktisch. Stattdessen besteht seine Linse aus einem Material, das interne Variationen in seinem Brechungsprofil aufweist, um Lichtstrahlen zu leiten.
In der neuen Studie, die diesen Monat online veröffentlicht wurde in Naturmedizin , zeigen Forscher, dass sie mit dem Mikro-Endoskop dieselbe Stelle im Gehirn im Laufe der Zeit beobachten können. Sie implantieren zunächst ein Führungsrohr aus Glas in das Gehirn eines Tieres und platzieren es direkt über dem interessierenden Bereich, wobei ein winziger Objektträger seine Spitze bedeckt. Anschließend können sie das Mikro-Endoskop in den Tubus einführen und die Zellen mit einem Standard-Zwei-Photonen-Mikroskop fotografieren. Nach der Bildgebung kann man die Mikronadel herausziehen, das Tier in seinen Käfig zurückbringen, es dann [Tage oder Wochen] später wieder einsetzen und noch einmal schauen, sagt Schnitzer.
Elly Nedivi , außerordentlicher Professor für Neurobiologie am MIT, sagt, dass die Möglichkeit, immer wieder an dieselbe Stelle zurückkehren zu können, eine der wichtigsten Anwendungen des Mikroendoskops sein könnte. Man könne damit sehen, ob Medikamente wirken, etwa ob ein Tumor auf die Behandlung anspricht, sagt sie.
In ihren ersten Experimenten untersuchten die Stanford-Forscher neuronale Strukturen im Hippocampus, einem der wenigen Orte im Gehirn, an denen im Erwachsenenalter neue Neuronen geboren werden. Schnitzer stellte die Hypothese auf, dass sich diese Strukturen aufgrund dieser Nähe zu neuen Zellen mit der Bildung neuer Erinnerungen verändern würden. Aber das haben wir nicht gefunden, sagt er. Nachdem wir mehr als 4.000 Dendriten untersucht hatten, sahen wir nur sehr wenige Fälle von Veränderungen.
In einer zweiten Reihe von Experimenten, die untersuchen sollten, wie sich das Gehirn als Reaktion auf Krankheiten verändert, injizierte Schnitzers Team Krebszellen in eine Seite des Gehirns einer Maus. Diese Zellen wuchsen dann zu Tumoren heran, was es den Wissenschaftlern ermöglichte, die Veränderungen in den Blutgefäßen zu beobachten, die mit Krebs einhergehen. Die Forscher fanden heraus, dass die Gefäße auf der krebsartigen Seite des Gehirns instabil waren und sich der Blutfluss verlangsamte. Die gesunde Seite des Gehirns blieb stabil.
Emily Singer ist die Biomedizin-Redakteurin von Technologie-Überprüfung.