Hightech-Mikroskop für die Hirnforschung

Mit ihm sollen Ionenverschiebungen, insbesondere von Natriumionen, innerhalb von Nervengeweben gemessen werden. Dies kann neue Aufschlüsse sowohl über grundlegende Hirnfunktionen als auch über Fehlfunktionen bei neurodegenerativen Erkrankungen geben.

Das Element Natrium ist für neuronale Prozesse im lebendem Organismus von großer Bedeutung. Durch eine niedrige Konzentration von Natriumionen innerhalb von Nervenzellen können zum Beispiel die elektrischen Signale im Gehirn erst generiert werden. Ist die Natriumkonzentration in den Zellen dauerhaft erhöht, kann dies mit Funktionsverlusten einhergehen und Nervenzellen schädigen, was zur Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen beitragen kann.

Das HHU-Institut für Neurobiologie um Prof. Dr. Christine Rose zählt zu den Pionieren und weltweit anerkannten Experten auf dem Gebiet der Natriummessung in Gehirnzellen und hat dabei einige wichtige Beiträge zum Verständnis von Gehirnprozessen geliefert. So stellten die Düsseldorfer Forschenden unter anderem fest, dass Aktivität von Nervenzellen zu einem vorübergehenden Anstieg der Natriumkonzentration führt, was wiederum viele zelluläre Prozesse beeinflusst.

Natriumveränderungen quantitativ erfassen

Ein wichtiges Werkzeug der Düsseldorfer Arbeitsgruppe ist die Multiphotonen-Laserscanning-Mikroskopie. Bei dem nun neu beschafften Mikroskop handelt es sich um ein System mit einer Erweiterung für sehr schnelle Fluoreszenzlebenszeitmessungen (FLIM) und einer Optogenese-Einheit. Es erlaubt, Natriumveränderungen in kleinsten zellulären Kompartimenten im intakten Gehirngewebe quantitativ zu erfassen und lässt auch genaue Rückschlüsse auf die Verteilung verschiedener anderer Ionen zu.

Die Anschaffung des Geräts wurde im Rahmen einer Großgerätebeschaffung möglich, deren Kosten von Bund, Land Nordrhein-Westfalen und der HHU gemeinsam tragen. Dabei wurde ein sehr leistungsfähiges, kommerziell erhältliches Mikroskop in Zusammenarbeit mit den Herstellern von Laborleiter Dr. Karl Kafitz und seinen Kollegen Dr. Jan Meyer und Dr. Niklas Gerkau vom Institut für Neurobiologie modifiziert. Sie fügten unter anderem neue Komponenten hinzu, die an der HHU entwickelt und in den Zentralwerkstätten der Biologie hergestellt bzw. angepasst wurden. Dazu Dr. Kafitz: „Das neue System konnten wir optimal an unsere speziellen Erfordernisse anpassen, sodass wir in Zukunft Experimente mit bisher nicht erreichter Sensitivität, Geschwindigkeit und Effizienz durchführen können.“

Institutsleiterin Prof. Dr. Christine Rose: „Das FLIM-Multiphotonen-Laserscanning-Mikroskop wird entscheidend dazu beitragen, die zellulären Mechanismen der Schädigung von Hirngewebe bei Energiemangel besser analysieren zu können und damit auch ihre Ursachen besser zu verstehen.“

Exzellente Detektionseffizienz des Geräts

Das neue System hat neben einer exzellenten Detektionseffizienz eine sehr schnelle Bildwiederholungsrate, die durch spezielle Einbauten erreicht wurde. Darüber hinaus hat es eine überdurchschnittliche Auflösung von bis zu 4096x4096 Pixeln pro Bild (bei gleichzeitig sehr geringer Pixelgröße). Damit sind sowohl die räumliche als auch die zeitliche Auflösung sehr hoch, was eine hervorragende optische Qualität bei größtmöglicher Effizienz erlaubt. Eine weitere Besonderheit des Geräts ist die Möglichkeit zu sehr schnellen dynamischen Multiphotonen-Fluoreszenzlebenszeitmessungen. Schließlich kann gleichzeitig zur Messung eine Photoaktivierung über ein Galvanometer-basiertes Flashsystem realisiert werden.