Eine neue Technik macht ein Mausgehirn (links undurchsichtig) zur einfacheren Bildgebung vollständig transparent (rechts). Bild von Kwanghun Chung und Karl Deisseroth, Howard Hughes Medical Institute / Stanford University
Das menschliche Gehirn ist eines der komplexesten Objekte im bekannten Universum. In nur 3 Pfund Fleisch (im Durchschnitt) ist eine Ansammlung von ungefähr 86 Milliarden miteinander verbundenen Neuronen verpackt, die unzählige komplizierte Netzwerke bilden, die die Essenz Ihrer Persönlichkeit ausmachen.
Ein konserviertes Gehirn auf einem Untersuchungstisch vermittelt jedoch nichts von dieser Komplexität: Es sieht mehr oder weniger aus wie ein Stapel grauen Fleisches, weil wir nicht durch die Membranen der äußeren Zellen sehen können, um die einzelnen Neuronen im Inneren zu sehen.
Dieses Problem ist die Motivation für eine neue Technik, die von einem Stanford-Team unter der Leitung von Kwanghun Chung und Karl Deisseroth entwickelt wurde, um konservierte Gehirne für Licht vollständig transparent zu machen. Auf diese Weise und unter Verwendung spezieller chemischer Marker, die sich an bestimmte Arten von Zellen anheften, schufen sie eine Möglichkeit, das gesamte Gehirn in all seiner komplexen, miteinander verbundenen Pracht zu sehen. Eine solche Komplexität ist im unten abgebildeten Mausgehirn leicht zu erkennen, in dem bestimmte Arten von Neuronen mit einem fluoreszierenden grünen Farbstoff markiert wurden:
Ein transparentes Mausgehirn, dem ein grüner Farbstoff injiziert wurde, der sich an Neuronenzellen anlagert. Bild von Kwanghun Chung und Karl Deisseroth, Howard Hughes Medical Institute / Stanford University
Die Wissenschaftler sagen, dass ihre Technik, die in einem heute in Nature veröffentlichten Artikel angekündigt wurde, sowohl für das konservierte menschliche Gehirn als auch für das von Mäusen funktioniert und auch auf viele andere Arten von Organen angewendet werden kann. Die Methode nutzt die Tatsache aus, dass die Farbe der Organe - und damit der Grund, warum sie nicht klar sind - ausschließlich auf die Fettmoleküle zurückzuführen ist, aus denen die Membranen der einzelnen Zellen bestehen.
In einem lebenden Gehirn bewahren diese Moleküle die strukturelle Integrität des Organs. In einem konservierten Gehirn verdunkeln sie jedoch die innere Struktur. Um dieses Problem zu lösen, füllten die Forscher das experimentelle Gehirn von Mäusen mit Hydrogelen, die an die Funktionselemente der Zellen (Proteine und DNA), aber nicht an die Fettmoleküle binden, und bilden ein geleeähnliches Netz, das die ursprüngliche Struktur beibehält. Dann räumten sie die Fettmoleküle mit einem Reinigungsmittel weg und machten das Organ vollständig transparent.
Durch die Herstellung eines vollständig intakten, transparenten Mausgehirns (siehe Abbildung oben) ergeben sich alle möglichen interessanten Bildgebungsmöglichkeiten. Wenn die Fettmoleküle ausgespült sind, werden die Elemente von experimentellem oder klinischem Interesse (z. B. Neuronennetzwerke oder Gene) nicht mehr durch Zellmembranen verdeckt. (In ähnlicher Weise werden Zebrafische mit ihren transparenten Embryonen in vielen Bereichen der biologischen Forschung häufig eingesetzt.)
Um die Aspekte klar zu erkennen, fügten die Forscher farbige chemische Marker hinzu, die sich spezifisch an bestimmte Arten von Molekülen anheften. Anschließend können Wissenschaftler sie mit einem herkömmlichen Lichtmikroskop untersuchen oder mehrere Bilder von digitalen Mikroskopen kombinieren, um ein 3D-Rendering zu erstellen.
Als Proof-of-Concept führte das Forscherteam zusätzlich zum Mausgehirn die Untersuchung an kleinen Stücken des Gehirns einer verstorbenen autistischen Person durch, die 6 Jahre lang gelagert worden waren. Mit speziellen chemischen Markern konnten sie einzelne Neuronen verfolgen über große Gewebeschwaden. Sie fanden auch atypische leiterähnliche Neuronenstrukturen, die auch im Gehirn von Tieren mit autismusähnlichen Symptomen beobachtet wurden.
Diese Art der detaillierten Analyse war bisher nur durch mühsames Untersuchen winziger Hirnscheiben mit einem Mikroskop möglich, um ein vollständiges dreidimensionales Bild zu erhalten. Aber jetzt können Zusammenhänge zwischen verschiedenen Teilen des Gehirns auf einer breiteren Ebene gesehen werden.
Die Tatsache, dass die Technik auf allen Arten von Geweben funktioniert, könnte viele neue Forschungswege eröffnen: die Analyse der Signalwege eines Organs, die klinische Diagnose von Krankheiten in einer Biopsieprobe und natürlich eine detailliertere Untersuchung der Neuronenbeziehungen und Netzwerke, die das menschliche Gehirn ausmachen. Weitere Informationen finden Sie im folgenden Video mit freundlicher Genehmigung von Nature Video :
