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Verschärfte Aufnahmen der Hirnaktivität

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Ein Chip mit zehntausend Mikrolinsen erfasst das Objekt – eine Zebrafischlarve – gleichzeitig aus vielen unterschiedlichen Winkeln. Credit: IMP
Das Gehirn ist das geheimnisvollste aller Organe: Wie dieses komplexe Netzwerk von Nervenzellen seine faszinierenden Funktionen hervorbringt, ist noch weitgehend unklar. Um neue Einblicke in die Geheimnisse des Gehirns zu ermöglichen, hat ein internationales Forscherteam um Alipasha Vaziri von der Universität Wien nun ein raffiniertes Mikroskopie-Verfahren entwickelt: Es kann die Nervenzell-Aktivität des gesamten Gehirns von Modellorganismen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abbilden. So können die Forscher beispielsweise sehen, was im Gehirn eines Zebrafisches vorgeht, wenn er etwas riecht.

Es war zwar bisher schon möglich, die Aktivität von Neuronen mit Hilfe fluoreszierender Proteine in genetisch veränderten Organismen sichtbar zu machen, doch mit bisherigen Verfahren war es nicht möglich, gleichzeitige die Aktivität von großen Nervennetzen mit Einzelneuron-Präzision zu erfassen. „Genau diese Möglichkeit braucht man aber, um zu verstehen, wie die beachtlichen Leistungen des Gehirns bei der Verarbeitung von Sinnesreizen oder der Planung von Bewegungsabläufen zustande kommen“, erklärt Vaziri. 

Das neue System der Forscher basiert auf einer leistungsstarken Kombination von Hardware und Software: Die Bilderfassung erfolgt durch zehntausend Mikrolinsen, die auf einem münzgroßen Träger sitzen. Sie bilden das Objekt mit einer einzigen Aufnahme jeweils aus unterschiedlichen Winkeln ab, erklären die Forscher. Aus diesen Winkelinformationen entwickelt dann ein Computer-Algorithmus die räumliche Position der Detailstrukturen des Objekts. „Bisher musste man räumliche Objekte punktweise abtasten, nun ersparen wir uns das Scannen in mehreren Ebenen“, erklärt Co-Autor Robert Prevedel. „Wir können mit einem einzigen Bild ohne jegliches mechanisches Scanning den gesamten Raum aufnehmen. Gegenüber der bisherigen Methode können wir in Volumina, die bis zu tausendfach größer sind, zehnfach schnellere Veränderungen erfassen.“

Wenn Fische etwas riechen…

Die Leistungsfähigkeit ihres Systems haben die Forscher bereits eindrucksvoll dokumentiert: Sie konnten die Aktivität des Gehirns von Fadenwürmern der Art C. elegans detailliert erfassen und auch Abläufe deren Nervenverbindungen, die etwa zu den Muskeln führen. Sie zeigten das Potenzial der Technologie allerdings auch schon bei einem höheren Organismus: dem Zebrafisch. Sein Nervensystem umfasst 100.000 Neuronen – beim Fadenwurm sind es hingegen nur 300. Bei ihren Experimenten stimulierten die Forscher rund 500 Nervenzellen im Riechorgan von Fischlarven mit vergorener Fischbrühe – ein äußerst abstoßendes Aroma für diese Tiere. Gleichzeitig erfassten sie die Gesamtaktivität ihres Gehirns. Die Aufnahmen mit dem neuen System offenbarten: 5.000 Nervenzellen im Gehirn empfingen Nervensignale vom Riechorgan.

„Im Vergleich zu den Würmern finden wir beim Zebrafisch Verhältnisse vor, die denjenigen beim Menschen stärker ähneln, sagt Vaziri. „Wir hoffen daher, mit unserer Methode eines Tages zu verstehen, wie das Gehirn Informationen repräsentiert und diese verarbeitet, um Entscheidungen zu treffen. Letztlich wollen wir damit den vom Gehirn benutzten Algorithmen auf die Spur kommen“, sagt der Hirnforscher.

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Quellen:

© wissenschaft.de – Martin Vieweg
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