Tiefer Einblick ins Gehirn: 3D adaptive 2-Photon-Mikroskopie

Die Lichtmikroskopie hat in den letzten Jahren unerwartete ja geradezu unglaubliche - Fortschritte gemacht. Das optische Auflösungsvermögen etwa wurde über für unumgänglich gehaltene Grenzen hinaus verbessert. Aber optische Methoden haben immer noch einen großen Nachteil, der eine allgemein verwendbare Bildgebung im Körper verhindert: Absorption und Streuung des sichtbaren Lichts im Gewebe beschränken den abbildbaren Bereich auf oberflächennahe Schichten der Gewebeprobe, meist nur auf Tiefen von bis zu einigen 10 Mikrometern. Ziel dieses interdisziplinären Projekts ist es, einen Weg zu finden, um durch eine Verbesserung der erreichbaren Bildgebungs-Tiefe Forschungsaktivitäten an den neuro-physiologischen Mechanismus des Schmerzempfindens möglich zu machen: Es wird vermutet, dass Mikro-Glia-Zellen, die angeborenen Immunzellen des Zentralnervensystems, hier eine wesentliche Rolle spielen. Von speziellem Interesse ist die Migration dieser Zellen, deren Ursachen und Auswirkungen. Um dies zu beobachten ist allerdings eine gewisse Probendicke der Schnitte durch Mäusegehirne notwendig. Da Hirngewebe zu den am stärksten streuenden Gewebesorten zählt, wäre das einsehbare Volumen ohne entsprechende Gegenmaßnahmen auf wenige neuronale Zellschichten begrenzt. Daher macht sich dieses Projekt zur Aufgabe, optimale Strategien zu entwickeln, um die vom Gewebe selbst verursachten optischen Deformationen der Lichtstrahlen und die daraus resultierende Qualitätsminderung rückgängig zu machen. Geeignete Methoden der dynamischen Wellenfront- Anpassung sollen schließlich auf die neuro-physiologische Fragestellung angewendet werden. Die schnelle und präzise Ermittlung der vom Gewebe verursachten Verzerrungen und deren schnelle Kompensation durch programmierbare Wellenfront-Modulatoren sind essentielle Aspekte der Adaptiven Optik, die zum Beispiel auch in der Astronomie zur Kompensation der thermischen Fluktuationen in der Atmosphäre Anwendung findet. Die vielversprechendsten optischen Kompensationsmethoden sollen mit einem in Innsbruck entwickelten Linsensystem zur schnellen Änderung der Fokus-Tiefe kombiniert werden, um zusammen ein optisches System zu erschaffen, das für Studien zu den Mechanismen der Mikro-Glia Bewegungen geeignet ist - das heißt eine räumliche Auflösung hat, die gut genug ist, um Dentric Spines zu sehen, und eine Zeitauflösung, die es erlaubt, Zellaktivitäten lückenlos verfolgen zu können. Das Projekt ist stark interdisziplinär, in enger Zusammenarbeit zwischen zwei Arbeitsgruppen der Biomedizinischen Physik und der Physiologie an der Medizinischen Universität Innsbruck. Die synergistische Situation wird beide Bereiche - die der EntwicklerInnen aus der Angewandten Optik und die der SchmerzforschernInnen - in einer Weise bereichern, die ohne ein gemeinsames Forschungsprojekt nicht möglich wäre.

In unserem Forschungsprojekt wurden neue Methoden erarbeitet, um mit Mikroskopen möglichst tief in Gewebe hineinschauen zu können. Grundsätzlich stellt die Lichtmikroskopie eine ausgezeichnete Möglichkeit dar, um Krankheiten zu diagnostizieren oder mehr über die Funktion von Geweben auf zellulärer Ebene zu erfahren. Aber leider sind Lichtmikroskope nur begrenzt dazu geeignet, in lebendes Gewebe (wie z.B. die menschliche Haut) oder auch nur in dünne histologische Schnitte hineinzublicken, da das Gewebe selbst Licht stark streut. Die Eindringtiefe von herkömmlichen Mikroskopen ist daher nur auf kleine Bruchteile eines Millimeters begrenzt. In unserem Projekt wurde eine Technologie eingesetzt, die unter dem Begriff "adaptive Optik" bereits erfolgreich in der Astronomie eingesetzt wird und die Licht praktisch beliebig formen kann. Mithilfe dieser Technologie ließe sich grundsätzlich auch der Streuwirkung von Gewebe entgegenwirken. Die Idee ist, jenes Licht, mit dem man eine dicke Probe durchleuchten möchte, derart zu präparieren, dass das Gewebe den Lichtstrahl in seinem Innern wiederherstellt, anstatt ihn weiter zu streuen. Falls das gelänge, könnte man wohl mehrere Millimeter tief in streuendes Gewebe wie z.B. Hirngewebe, histologische Schnitte oder Hautgewebe hineinblicken, was Durchbrüche in der Diagnose von Krankheiten sowie ein größeres Verständnis für die biologischen Abläufe innerhalb von Organen ermöglichen würde. Die große Frage ist jedoch, in welcher Weise man das Licht formen soll, damit sich in der Tiefe des Gewebes ein klares Bild ergibt. Wir haben uns mit diesem Projekt dieser Frage gewidmet. Das Hauptresultat unserer Forschung ist eine neue Messmethode, mit der man mit vergleichsweise wenigen Messungen, die in nur wenigen Sekunden durchgeführt werden können, optimale Lichtformen finden kann. Wir haben diese Methode mit nichtlinearer Scanning-Mikroskopie kombiniert, einer Mikroskopie-Variante, die eigens für hohe Eindringtiefen entwickelt wurde und die neue Methode an unterschiedlichen biologischen Proben untersucht. Wir konnten unter anderem über einen halben mm tief in fixiertes Maus-Hirngewebe hineinblicken und dort einzelnen Zellen sowie deren Substrukturen mit stark erhöhter Auflösung und Signalstärke (20-fach mehr Signal) darstellen. Zusammenfassend sind wir also dem Ziel, mit Lichtmikroskopen tiefer in Gewebe hineinzublicken, ein gutes Stück näher gekommen. In einem Folgeprojekt versuchen wir nun, die erzielten Bildkorrekturen auf größere Bildfelder zu erweitern.