Ärzte Zeitung online, 05.11.2009

Mobile Mikroskope blicken ins Gehirn

TÜBINGEN (eb). Wissenschaftler vom Tübinger Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik haben ein mobiles Laserrastermikroskop entwickelt, das so klein ist, dass es am Kopf einer Ratte befestigt werden kann. Auf diese Weise können die Forscher zum ersten Mal verfolgen, wie sich die Gehirnzellen bei einem frei umherlaufenden und seine Umgebung erkundenden Tier verhalten.

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Winzige Mikroskope ermöglichen neue Erkenntnisse darüber, wie unser Gehirn ein nahtloses Bild der Umwelt rekonstruiert, während wir uns in unserer Umwelt bewegen.

Foto: Jason Kerr / Max-Plack-Institut für biologische Kybernetik

Den Großteil unseres Lebens verbringen wir damit, uns in einer statischen Umwelt zu bewegen. Um uns zu orientieren, verarbeitet unser Gehirn die Informationen, die es von den verschiedenen Sinnesorganen geliefert bekommt. Wie genau das funktioniert, weiß jedoch niemand, da die Wissenschaftler das Gehirn von sich bewegenden Personen bislang nicht untersuchen können.

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Das nur etwa drei Zentimeter große Mikroskop liefert Bilder von der Gehinraktivitat einer frei umherlaufenden Ratte.

Foto: Damian Wallace / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Um dieses Problem zu lösen, haben die Tübinger Wissenschaftler ein mobiles System entwickelt, das mehrere fluoreszierende Gehirnzellen gleichzeitig beobachtet und zudem die exakte Position eines Versuchstieres bestimmt, während dieses sich völlig frei bewegen kann (PNAS, online vorab, November 2009). Das sehr leichte, nur etwa drei Zentimeter große Laserrastermikroskop verwendet einen hochenergetischen pulsierenden Laser und Fiberglasoptik, um Zellen im Gehirn zu beobachten. Die sonst für diese Untersuchungen eingesetzten Elektroden sind nicht mehr notwendig.

Bislang konnte man die Wahrnehmung nur untersuchen, indem man einem immobilen Tier eine Reihe von Filmen oder Bildern als optische Reize präsentiert und gleichzeitig die Hirnaktivität gemessen hat. Mit der neuen Methode wird der Ansatz umgedreht: Man kann die Aktivität der Nervenzellen messen, während das Tier seine natürliche Umgebung erkundet. Da im Gehirn nicht einzelne Zellen, sondern vielmehr ganze Zellgruppen an bestimmten Aufgaben beteiligt sind, müssen mehrere Nervenzellen gleichzeitig erfasst werden. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler erstmalig untersuchen, wie das Gehirn die innere Repräsentation der äußeren Welt vollzieht, während die Augen die natürliche Umwelt wahrnehmen.

"Wir müssen dafür sorgen, dass sich ein Tier so natürlich wie möglich verhalten kann, wenn wir verstehen wollen, wie das Gehirn funktioniert, während wir uns in einer komplexen Umgebung orientieren. Die neue Technik ist ein Meilenstein auf dem Weg zu einem Verständnis von Wahrnehmung und Aufmerksamkeit", sagte Jason Kerr, Hauptautor der Studie.

Zum Abstract der Originalveröffentlichung "Visually evoked activity in cortical cells imaged in freely moving animals"

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