Das menschliche Gehirn besteht aus Milliarden von Neuronen. Gemeinsam ermöglichen sie höhere Gehirnfunktionen wie Kognition und komplexe Verhaltensweisen. Um diese Gehirnfunktionen höherer Ordnung zu untersuchen, ist es wichtig zu verstehen, wie die neuronale Aktivität über verschiedene Gehirnregionen hinweg koordiniert wird.
Obwohl Techniken wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) Einblicke in die Gehirnaktivität liefern können, können sie nur begrenzte Informationen für einen bestimmten Zeitraum und Bereich liefern. Die Zwei-Photonen-Mikroskopie unter Verwendung von Schädelfenstern ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erstellung hochauflösender Bilder. Allerdings sind herkömmliche Schädelfenster klein, was die gleichzeitige Untersuchung weit entfernter Hirnregionen erschwert.
Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung des Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS) und des National Institute for Physiological Sciences (NIPS) eine neue Methode zur In-vivo-Bildgebung des Gehirns eingeführt, die groß angelegte und langfristige Beobachtungen ermöglicht neuronaler Strukturen und Aktivitäten in wachen Mäusen.
Diese Methode wird als „Nanoblatt in lichthärtbares Harz eingearbeitet“ (NIRE)-Methode bezeichnet und verwendet Fluorpolymer-Nanoblätter, die mit lichthärtbarem Harz bedeckt sind, um größere Schädelfenster zu erzeugen.
„Die NIRE-Methode ist früheren Methoden überlegen, da sie größere Schädelfenster als bisher möglich erzeugt, die sich von der Scheitelrinde bis zum Kleinhirn erstrecken, und dabei das biokompatible Nanoblatt und das transparente, lichthärtbare Harz nutzt, das seine Form von flüssig zu fest ändert“, sagt Hauptautorin Taiga Takahashi von der Tokyo University of Science und ExCELLS.
Bei der NIRE-Methode wird lichthärtendes Harz verwendet, um mit Polyethylenoxid beschichtetes CYTOP (PEO-CYTOP), ein bioinertes und transparentes Nanoblatt, auf der Gehirnoberfläche zu fixieren. Dadurch entsteht ein „Fenster“, das eng an der Gehirnoberfläche anliegt, selbst an der stark gekrümmten Oberfläche des Kleinhirns, und seine Transparenz über einen langen Zeitraum bei geringer mechanischer Belastung beibehält, sodass Forscher mehrere Gehirnregionen lebender Mäuse beobachten können.
„Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die Kombination von PEO-CYTOP-Nanoblättern und lichthärtbarem Harz die Schaffung stärkerer Schädelfenster mit größerer Transparenz über längere Zeiträume im Vergleich zu unserer vorherigen Methode ermöglichte. Infolgedessen gab es nur wenige Bewegungsartefakte.“ „Das sind Verzerrungen in den Bildern, die durch die Bewegungen wacher Mäuse verursacht werden“, sagt Takahashi.
Die Schädelfenster ermöglichten eine hochauflösende Bildgebung mit einer Auflösung im Submikrometerbereich und eigneten sich daher zur Beobachtung der Morphologie und Aktivität feiner neuronaler Strukturen.
„Wichtig ist, dass die NIRE-Methode die Durchführung der Bildgebung über einen längeren Zeitraum von mehr als 6 Monaten mit minimalen Auswirkungen auf die Transparenz ermöglicht. Dies sollte es ermöglichen, längerfristige Forschung zur Neuroplastizität auf verschiedenen Ebenen durchzuführen – von der Netzwerkebene bis zur zellulären Ebene.“ Ebene – sowie während der Reifung, des Lernens und der Neurodegeneration“, erklärt die korrespondierende Autorin Tomomi Nemoto von ExCELLS und NIPS.
Diese Studie ist eine bedeutende Errungenschaft auf dem Gebiet der Neurobildgebung, da diese neuartige Methode Forschern ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung neuronaler Prozesse bietet, die bisher nur schwer oder gar nicht zu beobachten waren. Insbesondere die Fähigkeit der NIRE-Methode, große Schädelfenster mit längerer Transparenz und weniger Bewegungsartefakten zu erzeugen, sollte eine groß angelegte, langfristige und mehrskalige In-vivo-Bildgebung des Gehirns ermöglichen.
„Die Methode verspricht, die Geheimnisse neuronaler Prozesse zu entschlüsseln, die mit Wachstum und Entwicklung, Lernen und neurologischen Störungen verbunden sind. Zu den möglichen Anwendungen gehören Untersuchungen zur Kodierung neuronaler Populationen, zum Umbau neuronaler Schaltkreise und zu Gehirnfunktionen höherer Ordnung, die von koordinierter Aktivität auf breiter Ebene abhängen.“ verteilte Regionen“, sagt Nemoto.
Zusammenfassend bietet die NIRE-Methode eine Plattform für die Untersuchung neuroplastischer Veränderungen auf verschiedenen Ebenen über längere Zeiträume bei Tieren, die wach sind und verschiedene Verhaltensweisen zeigen, was neue Möglichkeiten bietet, unser Verständnis der Komplexität und Funktion des Gehirns zu verbessern.
Mehr Informationen:
Taiga Takahashi et al., Großflächiges Schädelfenster für die In-vivo-Bildgebung des Mausgehirns unter Verwendung von Fluorpolymer-Nanoblättern und lichthärtbarem Harz, Kommunikationsbiologie (2024).