Bonn, 4. Mai 2020. Eines der grundlegenden Ziele der Neurowissenschaften ist es zu verstehen, welche Prozesse im Gehirn ablaufen, um Verhalten als Reaktion auf Umweltreize zu erzeugen. Das Verhalten von Tieren kann man untersuchen, indem man beobachtet, wie ein Tier Probleme löst, aber um Einblick in die Rolle des Gehirns bei der Erzeugung von Verhalten zu erlangen, muss gleichzeitig die Aktivität der Hirnschaltkreise gemessen werden.

Nun ist die In-vivo-Bildgebung in der Biologie nichts Neues; sie reicht zurück bis in die Anfänge der Mikroskopie. Spezielle Mikroskope sind in der Lage, das Gewebe zu durchdringen, die neuronalen Schaltkreise bei der Arbeit zu beobachten und so einen Einblick in das Innere des Gehirns zu ermöglichen. Die Verwendung eines Mikroskops zur Aufzeichnung neuronaler Aktivität hat den Vorteil, dass sie kaum invasiv ist. Das Mikroskop befindet sich außerhalb des Gehirns, sendet Licht in das Organ und empfängt seinerseits vom Gehirn emittierende Lichtsignale. Konventionelle Mikroskope sind zu schwer, um funktionelle Aufzeichnungen bei sich frei verhaltenden Tieren zu machen, aber im Laufe der letzten Jahre wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um kopfmontierte Miniaturmikroskope zu entwickeln.

2009 entwickelte die Gruppe von Jason Kerr in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Winfried Denk vom Max-Planck-Institut für Neurobiologie (Martinsried) ein miniaturisiertes, kopfmontiertes Multiphotonenmikroskop. Damit ließ sich die Aktivität neuronaler Populationen in den obersten Schichten des visuellen Kortex von wachen, sich frei bewegenden Ratten aufzeichnen. Dieses ‘Zweiphotonen-Fiberskop’ bedeutete einen Durchbruch bei der Messung von Gehirnaktivität bei freiem Verhalten, aber der Großteil der kortikalen Schichten ließ sich nicht damit erreichen. Es bedurfte eines neuen Ansatzes, um auch die tieferen Schichten der Hirnrinde auf zellulärer Ebene abbilden zu können.

In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Philip Russell am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts hat die Forschungsgruppe Kerr nun ein neuartiges kopfmontiertes Miniaturmikroskop entwickelt, das alle Kortikalschichten in einer sich frei bewegenden Ratte bildlich darstellen kann. Durch eine speziell entwickelte und hergestellte Glasfaser wird Licht in das Gehirn gesendet, um unter Nutzung des ‘Drei-Photonen-Effekts’ neuronale Aktivität in den tiefen kortikalen Schichten zu erfassen. Verglichen mit der Zweiphotonen- oder Einphotonen-Fluoreszenzmikroskopie eignet sich die Dreiphotonenmethode hervorragend für die Bildgebung aus tieferen Schichten streuenden Gewebes und erzeugt deutlichere Bilder einzelner Zellen in tiefen Gewebsschichten. Mit Hilfe des neuen Mikroskops kann man Neuronenpopulationen über längere Zeiträume hinweg kontinuierlich erfassen, auch wenn das Tier herumläuft oder komplexe Verhaltensaufgaben ausführt.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Fiberskop weitreichende Anwendung in der Verhaltensforschung finden wird, da bisher verfügbare Mikroskope eine limitierte Bildgebungstiefe hatten und sich nicht für den Einsatz über längere Zeiträume eigneten, wodurch sich Einschränkungen für die zu beobachtenden Verhaltensformen ergaben. Mit diesem neuen Ansatz ist die Forschung nun in der Lage, die komplexe Netzwerkdynamik zu verstehen, die neuronaler Berechnung zugrunde liegt, welche ihrerseits die Grundlage für Wahrnehmung und Verhalten darstellt.

Die Studie über das neue Fiberskop ist jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Methods erschienen (DOI: 10.1038/s41592-020-0817-9).

Originalpublikation:
Klioutchnikov, A., Wallace, D.J., Frosz, M.H., Zeltner, R., Sawinski, J., Pawlak, V., Voit, K.M., Russel, P.St.J. and Kerr, J.N.D. (2020). Three-photon head-mounted microscope for imaging deep cortical layers in freely moving rats. Nat. Methods 17, 509-513.
https://www.nature.com/articles/s41592-020-0817-9

Darüber hinaus haben wir ein erläuterndes Video vorbereitet, das auf YouTube verfügbar ist: https://www.youtube.com/watch?v=SBSJGdLhgE4

Ãœber das Forschungszentrum caesar
caesar ist ein mit der Max-Planck-Gesellschaft assoziiertes Forschungsinstitut für Neuroethologie. Hier untersuchen wir, wie aus der kollektiven Aktivität der Vielzahl miteinander vernetzter Neuronen im Gehirn tierisches Verhalten in seiner ganzen Bandbreite entsteht. Unsere Forschung ist interdisziplinär und findet auf verschiedensten Größenebenen statt.