3D-Bildgebungstechnologie bietet neue Einblicke ins Gehirn
Das Gehirn ist in räumlichen Strukturen unterschiedlichster Größenordnungen organisiert, von kleinsten synaptischen Verbindungen zwischen Neuronen bis hin zu größeren Gehirnstrukturen wie Neokortex und Kleinhirn. „Um zu verstehen, wie das Gehirn sensorische und motorische Informationen verarbeitet oder wie kognitive Prozesse ablaufen, muss die Übertragung von Signalen in den neuronalen Verschaltungen gemessen werden können“, erklärt Angus Silver, Professor für Neurowissenschaften am University College London, Vereinigtes Königreich, und Projektkoordinator von 3DSCAN. Für solche Untersuchungen setzen die Neurowissenschaften zunehmend auf Zwei-Photonen-Mikroskopie, eine spezielle Art von Fluoreszenzmikroskopie. „Mit Multiphotonen-Fluoreszenz können am Tiermodell Aktivitäten in neuronalen Verschaltungen sichtbar gemacht werden, während das Tier spezifische Verhaltensaufgaben ausführt“, so Silver.
Akustooptische Linse
Aber selbst mit solchen Spitzentechnologien ist die Messung von Hirnaktivitäten immer noch sehr schwierig, vor allem, weil herkömmliche Zwei-Photonen-Mikroskope nur 2D-Bilder liefern und sich auch unterschiedliche Tiefenfokussierungen schlecht einstellen lassen. „Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt für mich ist die Verarbeitung sensorischer und motorischer Informationen in Kleinhirn und Neokortex beim Erwerb spezifischer Fähigkeiten“, erklärt Silver. „Obwohl Zwei-Photonen-Mikroskope optimale Instrumente sind, um Hirnstrukturen und ‑funktionen auf synaptischer, neuronaler und Verschaltungsebene zu analysieren, halte ich ihre zeitliche Auflösung für das 3D-Monitoring von Hirnaktivitäten für unzulänglich.“ Hierfür entwickelten Silver und seine Arbeitsgruppe in einem EU-finanzierten Vorläuferprojekt eine 3D-Scantechnologie, die mit einer akustooptischen Linse, AOL arbeitet. Die Linse besteht aus vier in Reihe angeordneten akustooptischen Deflektoren, die in ein Zwei-Photonen-Mikroskop integriert sind. Das innovative System wurde von einer Projektgruppe mit fachspezifischer Expertise in Elektrotechnik, Physik, Computerprogrammierung und Experimentalphysik entworfen, getestet und geprüft. „So ließen sich selektiv und in hoher zeitlicher Auflösung 3D-Bilder kleiner neuronaler Strukturen erzeugen, z. B. von Dendritenverzweigungen“, erklärt Silver. Das Patent für die nichtlineare 3D-AOL-Scantechnologie wurde von der Handelshochschule des UCL UCL Business ausgestellt.
Neue Werkzeuge
Aufbauend auf diesen Erfolgen trieb das jetzige Projekt 3DSCAN die Kommerzialisierung des innovativen 3D-Scan-Verfahrens voran, indem ein Patentantrag unterstützt, kostengünstige Herstellungstechniken optimiert und potenzielle Märkte und Industriepartner u. a. in den Bereichen Mikroskopie und Biowissenschaften erkundet wurden. „Mit dem Förderzuschuss konnte das vom UCL ausgegründete Spin-off-Unternehmen Agile Diffraction mit UCL Business ein exklusives Lizenzabkommen für das Schlüsselpatent abschließen, um Vertrieb und Vergabe von Unterlizenzen zu regeln“, erläutert Silver. „Inzwischen wurde das Herstellungsverfahren für den 3D-AOL-Scanner getestet und über Gründungsinvestitionen technisches Inventar für die Fertigung der AOL-Laserscanner angeschafft.“ Obwohl sich das Zwei-Photonen-Mikroskop in den Neurowissenschaften bereits als wichtiges Instrument etabliert hat, könnte seine Funktionalität durch 3D-Technologie ergänzt werden, ist Silver überzeugt. Inzwischen ist der Scanner im Vertrieb und das Unternehmen strebt Kooperationen mit Forschenden an, die ihre Forschungslabore und -einrichtungen mit 3D-AOL-Scannern ausstatten wollen. Vor allem aber können herkömmliche Zwei-Photonen-Mikroskope mit der Scan-Technologie nachgerüstet werden. „Die Geschichte der Neurowissenschaften zeigt, dass die Hirnforschung vor allem technologischen Grenzen unterliegt“, fügt er hinzu. Silver zufolge könnte der nichtlineare 3D-AOL-Scanner nicht nur die Hirnforschung selbst, sondern auch die Entwicklung neuer Therapien für neurologische Erkrankungen deutlich beschleunigen.
Schlüsselbegriffe
3DSCAN, Gehirn, neuronal, Mikroskopie, Biowissenschaften, Neuronen, Sensorik, Neurowissenschaften
