Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Max-Planck-Forscher machen "Drähte" im Gehirn sichtbar

18.10.2004


Neue Methode zur Entschlüsselung neuronaler Schaltkreise aus dem Max-Planck-Institut für medizinische Forschung


Rekonstruktion von "Nervendrähten" unter Verwendung eines dreidimensionalen Bilderstapels, der mit der SBFSEM-Technik gewonnen wurde. Gezeigt sind auch Original-Bildausschnitte, auf denen die zwischen den Drähten gefundenen synaptischen Verbindungen zu sehen sind. Blau gezeichnet ist ein Hauptdendrit, ein baumartig verzweigtes System von Nervenzellfortsätzen, das Eingangssignale von den Synapsen einsammelt, grün ein dendritischer Seitenast. Bei den anderen Fortsätzen handelt es sich um Axone, Nervenzellfortsätze, die eine elektrische Erregung, oft über erhebliche Distanzen, weiterleiten und dann via Synapsen auf die Dendriten anderer Zellen übertragen.

Bild: Max-Planck-Institut für medizinische Forschung



Wissenschaftler am Max-Planck Institut für medizinische Forschung haben eine neue Methode entwickelt, um die "Verdrahtung" des Gehirns zu entschlüsseln und damit den Informationsfluss beim Denken zu verfolgen. Das von Winfried Denk und Heinz Horstmann entwickelte Gerät erlaubt es, automatisch dreidimensionale Bilder von biologischen Geweben zu erstellen, und das mit einer Auflösung, bei der man auch die dünnsten Ausläufer von Nervenzellen verfolgen kann. Diese Ausläufer sind die "Drähte" des Gehirns, mit Hilfe derer auch weit voneinander entfernte Nervenzellen miteinander Signale austauchen können. Da diese Nervenfortsätze oft weniger als einen zehntausendstel Millimeter (100 Nanometer) im Durchmesser sind, was deutlich unter der optischen Auflösungsgrenze liegt, können sie im Lichtmikroskop nicht verfolgt werden, besonders wenn sie - wie fast überall im Gehirn - dicht gepackt vorliegen (PloS Biology, 19. Oktober 2004).



Um die nötige Auflösung zu erzielen, haben die Max-Planck-Forscher ein Elektronenmikroskop verwendet und dieses - und das ist das Neue an der Methode - mit einem in der Probenkammer montierten Mikrotom kombiniert, einem Apparat, der sehr dünne Gewebeschnitte herstellt. Das Mikrotom schneidet etwa 50 Nanometer dicke Scheibchen von einem Plastikblock ab, in dem das zu untersuchende Gehirngewebe eingebettet ist. Nach jedem Schnitt macht das Elektronenmikroskop ein Bild der Schnittfläche. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt und auch automatisiert werden. Auf diese Weise entsteht ein digitaler Bilderstapel und damit ein dreidimensionales Abbild der Gewebeprobe. In diesem kann man selbst dünnste Nervenfortsätze erkennen und in drei Dimensionen verfolgen (vgl. Abb.).

Diese Methode, von den Autoren "Serielle Rasterelektronenmikroskopie der Blockoberfläche" (serial block-face scanning electron microscopy, SBFSEM) genannt, unterscheidet sich von bisher zur Beobachtung von biologische Proben verwendeten Verfahren zum einen dadurch, dass man zur Abbildung nicht Elektronen nutzt, die durch den dünnen Gewebeschitt hindurch scheinen (Durchlichtelektronenmikroskopie, transmission electron microscopy, TEM), sondern jene, die von der Oberfläche des Gewebeblocks zurückgeworfen werden. Hinzu kommt als zweiter wesentlicher Unterschied das in die Vakuumkammer des Elektronenmikroskops montierte Mikrotom.

Da konventionelle Mikrotome aus verschiedenen Gründen dafür nicht geeignet sind, haben die Autoren ein spezielles Mikrotom entwickelt, in dem sich insbesondere die Probe während des Schneidevorgangs nicht bewegt. Dies ist deshalb wichtig, da einer der Hauptvorteile der SBFSEM-Methode darin besteht, dass die Aufnahmen im Bilderstapel sehr gut überlappen, was das Verfolgen von neuronalen Fortsätzen erheblich erleichtert. Hingegen sind Ungenauigkeiten bei der Überlappung und Verzerrungen beim Schnittverzerrungen die Hauptprobleme bei der konventionellen Serienschnitt-Elektronenmikroskopie und müssen dort manuell korrigiert werden. Das macht die Aufnahme von großen Gewebebereichen praktisch unmöglich, während die Max-Planck-Forscher ohne weiteres Bilderstapel mit 2.000 Bildern mit SBFSEM aufnehmen können.

Die Wissenschaftler erwarten, dass neue Färbetechniken und automatischen Bilderkennungsmethoden es in Zukunft ermöglichen werden, Nervenfortsätze in SBFSEM-Bilderstapeln in großem Stil zu verfolgen. Während Wissenschaftler am Max-Planck Institut für medizinische Forschung speziell an der Entschlüsselung neuronaler Schaltkreise interessiert sind, dürfte die neue Technik zur Herstellung dreidimensionaler Gewebeaufnahmen auch in anderen Bereichen der Biologie sowie in der diagnostischen Medizin auf erhebliches Interesse stoßen.

Originalveröffentlichung:

Winfried Denk; Heinz Horstmann
Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy to Reconstruct Three-Dimensional Tissue Nanostructure
PloS Biology, 19 October 2004

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Winfried Denk
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, Heidelberg
Tel.: 06221 486-335
Fax: 06221 486-325
E-Mail: denk@mpimf-heidelberg.mpg.de

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpimf-heidelberg.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bedeutung des „Ozeanwetters“ für Ökosysteme
21.08.2018 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht In Form gebracht
21.08.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Die Mischung macht‘s: Jülicher Forscher entwickeln schnellladefähige Festkörperbatterie

Mit Festkörperbatterien sind aktuell große Hoffnungen verbunden. Sie enthalten keine flüssigen Teile, die auslaufen oder in Brand geraten könnten. Aus diesem Grund sind sie unempfindlich gegenüber Hitze und gelten als noch deutlich sicherer, zuverlässiger und langlebiger als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Jülicher Wissenschaftler haben nun ein neues Konzept vorgestellt, das zehnmal größere Ströme beim Laden und Entladen erlaubt als in der Fachliteratur bislang beschrieben. Die Verbesserung erzielten sie durch eine „clevere“ Materialwahl. Alle Komponenten wurden aus Phosphatverbindungen gefertigt, die chemisch und mechanisch sehr gut zusammenpassen.

Die geringe Stromstärke gilt als einer der Knackpunkte bei der Entwicklung von Festkörperbatterien. Sie führt dazu, dass die Batterien relativ viel Zeit zum...

Im Focus: It’s All in the Mix: Jülich Researchers are Developing Fast-Charging Solid-State Batteries

There are currently great hopes for solid-state batteries. They contain no liquid parts that could leak or catch fire. For this reason, they do not require cooling and are considered to be much safer, more reliable, and longer lasting than traditional lithium-ion batteries. Jülich scientists have now introduced a new concept that allows currents up to ten times greater during charging and discharging than previously described in the literature. The improvement was achieved by a “clever” choice of materials with a focus on consistently good compatibility. All components were made from phosphate compounds, which are well matched both chemically and mechanically.

The low current is considered one of the biggest hurdles in the development of solid-state batteries. It is the reason why the batteries take a relatively long...

Im Focus: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Dialog an Deck, Science Slam und Pong-Battle

21.08.2018 | Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Zukünftige Informationstechnologien: Wärmetransport auf der Nanoskala unter die Lupe genommen

21.08.2018 | Physik Astronomie

Bedeutung des „Ozeanwetters“ für Ökosysteme

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Auf dem Weg zur personalisierten Medizin

21.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics