Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Schaltplan vom Mäusegehirn

22.10.2012
Max-Planck-Wissenschaftler wollen das Gehirn einer Maus als Ganzes im Elektronenmikroskop analysieren

Was geschieht im Gehirn, wenn wir sehen, hören, denken, uns erinnern? Damit Neurowissenschaftler diese Fragen beantworten können, benötigen sie Informationen darüber, wie die Millionen von Nervenzellen des Gehirns miteinander verknüpft sind.


Mit der "Block-face"-Elektronenmikroskopie lassen sich große Gewebestücke untersuchen - hier das Corpus collosum, das die beiden Hälften des Großhirns miteinander verbindet. Aus vielen Einzelaufnahmen werden dann die Axone der Nervenzellen dreidimensional rekonstruiert.
© MPI f. medizinische Forschung


Schnitt durch das Gehirn einer Maus mit rekonstruierten Axonen aus dem Thalamus, genauer dem ventroposterolateralen Nucleus.
© MPI f. medizinische Forschung

Einem Gesamtschaltplan des Gehirns der Maus, einem wichtigen Modellorganismus der Neurowissenschaften, sind Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Die Forschergruppe um Winfried Denk hat eine Methode entwickelt, mit der sie das gesamte Gehirn einer Maus für ein spezielles Mikroskopieverfahren präparieren können. Damit lässt sich das Gewebe mit so hoher Auflösung untersuchen, dass die feinen Ausläufer fast jeder einzelnen Nervenzelle sichtbar werden.

Über ihre Ausläufer – die Axone – leiten Nervenzellen Informationen weiter und bilden dabei ein komplexes Verschaltungsnetzwerk, die Grundlage jeder Informationsverarbeitung im Gehirn. Dieses Netzwerk im Mikroskop zu analysieren, ist eine der größten Herausforderungen der Neurowissenschaften. Die meisten Axone sind weniger als einen Mikrometer dick, viele weniger als 100 Nanometer. „Nur die Elektronenmikroskopie ist hochauflösend genug, einzelne nebeneinander liegende Axone voneinander zu unterscheiden“, sagt Winfried Denk. Axone können aber trotz ihres winzigen Durchmessers sehr lang werden und von einem Ende des Gehirns zum anderen reichen. Um ein Gesamtbild eines Gehirns zu erhalten, müssen die Forscher daher möglichst große Gewebestücke analysieren.

Im Jahre 2004 entwickelten Wissenschaftler um Denk eine neue Methode, die genau dies ermöglicht: Die „serial block-face“-Rasterelektronenmikroskopie. Dafür muss das Gewebe fixiert, gefärbt, und in Kunststoff eingebettet werden. Das funktioniert für kleine Gewebestücke, war bisher aber bei Gewebe der Größe eines Mäusegehirns nicht möglich. In einer aktuellen Studie gelang es Shawn Mikula aus Denks Abteilung ein Mäusegehirn so zu präparieren, dass er es mit der „block-face“-Mikroskopie analysieren und den Axonen folgen konnte. In einem nächsten Schritt will die Max-Planck Arbeitsgruppe ein ganzes Gehirn im „serial block-face“-Mikroskop aufnehmen, um die neuronalen Verbindungen im gesamten Mäusegehirn zu untersuchen.

In ihrer neuen Arbeit zeigten die Heidelberger Forscher, dass sich das Gehirn einer Maus so präparieren lässt, dass es sich in seiner Gesamtheit mit der „block-face“-Elektronenmikroskopie analysieren lässt. Die Herausforderung für die Wissenschaftler war, ein großes Gewebestück so zu behandeln, dass es gleichmäßig bis ins Gewebeinnere gut fixiert und gefärbt ist. Die Wissenschaftler entwickelten ein komplexes Verfahren, bei dem das Gehirn über Tage hinweg in verschiedenen Fixier- und Färbelösungen behandelt wird.

Bei der Rasterelektronenmikroskopie wird die Oberfläche eines Gewebeschnitts mit einem Elektronenstrahl abgetastet. Ein einzelnes elektronenmikroskopisches Bild entspricht also einem Querschnitt durch das Gewebe. Um ein dreidimensionales Bild eines Gewebes zu erhalten, wird dieses bei herkömmlichen Verfahren in feine Schnitte geschnitten, die dann einzeln mikroskopiert werden. Das ist nicht nur mühsam, sondern auch fehlerträchtig. Die „block-face“-Mikroskopie umgeht dieses Problem. Hier wird das Gewebestück als Ganzes im Mikroskop eingespannt und die Oberfläche abgetastet. Erst dann wird jeweils eine dünne Schicht abgeschnitten, um anschließend die darunterliegende Schicht abzutasten. Dies erleichtert das Zusammensetzen der Daten im Computer.

In einer ersten Analyse der Methodik haben die Wissenschaftler die Axone von 50 zufällig ausgewählten Nervenzellen mit dem Auge verfolgt und per Hand markiert. Die Axone lassen sich mit dem Verfahren also eindeutig rekonstruieren. „Es würde aber viel zu lange dauern, sämtliche Nervenzellen auf diese Weise zu verfolgen, denn das Gehirn einer Maus besteht aus etwa 75 Millionen Nervenzellen“, sagt Denk. Die Bildauswertung muss deshalb automatisiert werden. „Unsere Bilder besitzen genügend Auflösung und Kontrast, um alle myelinierten Axone zu verfolgen. Wenn es uns nun gelingt, in den nächsten Jahren ein ganzes Gehirn abzutasten, sollte das ein großer Anreiz für Informatiker und Computerwissenschaftler sein, die nötigen Analysemethoden zu entwickeln.“

Eine genaue Karte der Verbindungen im Gehirn wird wesentlich zur Aufklärung neuronaler Funktionen beitragen. „Jede Theorie über die Gehirnfunktion basiert auf einer Vorstellung über die entsprechenden Informationswege im Gehirn. Ein Wissen über die Verbindungen zwischen den Knotenpunkten ist sehr wichtig, damit wir zwischen verschiedenen Modellen der Gehirnfunktion unterscheiden können“, erklärt Denk.

Ansprechpartner
Prof. Dr. Winfried Denk
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, Heidelberg
Telefon: +49 6221 486-335
Fax: +49 6221 486-325
Email: denk@­mpimf-heidelberg.mpg.de
Dr. John Wray
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, Heidelberg
Telefon: +49 6221 486-277
Fax: +49 6221 486-351
Email: wray@­mpimf-heidelberg.mpg.de

Originalpublikation
Shawn Mikula, Jonas Binding, Winfried Denk
Staining and Embedding the Whole Mouse Brain for Electron Microscopy
Nature Methods, Online publication 21. Oktober 2012, doi:10.1038/nmeth.2213

Prof. Dr. Winfried Denk | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/6574866/schaltplan-gehirn-maus

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterien aus dem Blut «ziehen»
07.12.2016 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht HIV: Spur führt ins Recycling-System der Zelle
07.12.2016 | Forschungszentrum Jülich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie