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Neue Technik zeigt Hirnzellen in 3-D bei der Arbeit

Lausanner Forscher beobachten Hirnzellen so präzise wie noch nie: Eine neue Technik bildet Hunderte Nervenzellen dreidimensional und mit 50-fach besserer Auflösung als bisher ab.

Auflösung von 10 Milliardstel Meter: Bild einer Nervenzelle aus der Digitalen Holografischen Mikroskopie.
Auflösung von 10 Milliardstel Meter: Bild einer Nervenzelle aus der Digitalen Holografischen Mikroskopie.

Um Nervenzellen in Petrischalen zu studieren, präparieren Forscher sie normalerweise mit Farbstoffen und Elektroden, wie die ETH Lausanne (EPFL) heute mitteilt. Beides ist aber aufwendig und kann die winzigen Zellen beschädigen. Zudem lassen sich nur wenige Zellen aufs Mal beobachten. Mit einer Technik namens Digitale Holografische Mikroskopie (DHM) beheben Forscher der EPFL und des Universitätsspitals Lausanne nun aber alle diese Probleme. DHM sei nichtinvasiv, die Zellen würden also nicht verletzt, sagt Pierre Magistretti vom Brain Institute der EPFL.

Veränderter Laserstrahl

Zudem vermittelt die Methode nicht nur Informationen über die Form der Zellen, sondern auch über ihre Aktivität und Dynamik. Es entstehen dreidimensionale Bilder mit einer Auflösung von 10 Nanometern, also 10 Milliardstel Metern. Mit traditionellen Mikroskopen lassen sich Zellen bloss auf 500 Nanometer genau beobachten.

Bei DHM wird ein Laserstrahl auf die Zelle – oder ein anderes Objekt – gerichtet. Das Hindernis verändert die Lichtwellen des Lasers. Diese Veränderung wird erfasst und mit einem Referenzstrahl verglichen, woraus sich ein dreidimensionales Bild der Zelle erstellen lässt. Die Methode wurde ursprünglich für die Materialwissenschaften entwickelt und wird dort benutzt, um winzige Fehler in Materialien aufzuspüren. Magistretti und seine Kollegen veränderten sie nun so, dass sie auch in der Neurobiologie einsetzbar ist, wie sie im Fachmagazin «Journal of Neuroscience» berichten.

Verbesserung bei Tests von Alzheimer-Medikamenten

Die Wissenschaftler sorgten für ihre Studie mit einem elektrischen Reiz dafür, dass Wasser in Nervenzellen floss. Das verändert die optischen Eigenschaften der Zellen auf eine Weise, die nur mit DHM beobachtet werden kann. Die Forscher untersuchten Hunderte von Nervenzellen aufs Mal bei dieser Aktivitätsveränderung.

Mit der Methode könnten zum Beispiel Tausende neue pharmakologische Moleküle gleichzeitig untersucht werden, heisst es im Communiqué. Darin liege ein immenses Potenzial: Medikamente-Kandidaten gegen Hirnkrankheiten wie Parkinson oder Alzheimer könnten rascher und in grösserer Zahl getestet werden.

Mit DHM sei es möglich, winzige Veränderungen in den Hirnzellen aufgrund der Wirkung der Medikamente zu beobachten, sagte Magistretti. Dadurch lasse sich zum Beispiel voraussagen, wann die Zellen absterben. Untersuchungen, die im Labor bisher 12 Stunden gedauert hätten, seien nun in 15 bis 30 Minuten abgeschlossen.

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