Der Neurobiologe und Einstein Professor Benjamin Judkewitz entwickelt neuartige Lichtmikroskope, um in tiefe Regionen des Gehirns zu schauen, die bisher im Nebel lagen. Um zu verstehen, wie Nervenzellen miteinander kommunizieren, durchleuchtet er auch die Gehirne einer fast transparenten Fischart.
Mit einem optischen Mikroskop ins Gehirn zu schauen ist, als würde man auf einer Landstraße durch dichten Nebel fahren. Man sieht den ersten Baum noch klar, den zweiten schon verschwommen – und dahinter gar nichts mehr. Menschliches Gewebe ist ähnlich undurchsichtig. Mit herkömmlichen Mikroskopen kann man einige Hundert Mikrometer ins Gehirn schauen, also wenige Haaresbreiten tief, bevor die Photonen des Lichtstrahls zu stark streuen. Nur ein kleiner Bruchteil der Großhirnrinde wird auf diese Weise sichtbar.
Man kann versuchen, das Licht zu verstärken, quasi das Fernlicht anschalten. Beim Autofahren entsteht dann ein Gegenleuchten: Man blendet sich selber. Unter dem Mikroskop würde das Gewebe durch das zusätzliche Licht zu sehr erhitzen. Wir versuchen daher, den Nebel selbst zu klären.
Viele grundlegende Prinzipien der Informationsverarbeitung im Gehirn sind noch vollkommen offen. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler:innen viel über einzelne Nervenzellen, Ionenkanäle und deren atomare Struktur herausgefunden. Im Kernspintomografen können wir zudem beobachten, welche Hirnregionen in welchen Funktionen involviert sind. Doch beide Ansätzen erlauben keine detaillierte Theorien darüber, wie einzelne Nervenzellen untereinander kommunizieren. Diese Wissenslücke lässt sich nur schließen, wenn wir neuronale Netzwerke beobachten und zugleich einzelne Nervenzellen, während diese Informationen verarbeiten.
Wir haben in unserem Labor zwei Strategien, um den Nebel auf Netzwerkebene zu lichten. Für die erste entwickeln wir Mikroskope, die sich die Lichtstreuung zu Nutze machen. Lichtstreuung ist ein deterministischer Prozess, der umkehrbar ist. Wenn wir einen Lichtstrahl mehrfach durch ein Gewebe schicken, kommt auf der anderen Seite immer wieder die gleiche Orientierung von Photonen heraus. Und wenn wir diesen Strahl nun um 180 Grad drehen und durch das gleiche Gewebe zurückschicken, sehen wir vorne wieder den ursprünglichen Strahl – nur eben in Rückwärtsrichtung. Dieses Prinzip nutzen wir, um die Streuung zu korrigieren und das Licht an einem gewünschten Punkt im Gewebe zu bündeln. So können wir viel tiefer ins Gehirn schauen als bisher möglich.
Bei einer transparenten Fischart lässt sich das halbe Gehirn ohne Tricks unter dem Mikroskop sehen
Für unsere zweite Strategie erforschen wir einen neuen Modellorganismus: Danionella translucida. Diese Fischart ist fast komplett transparent und so klein, dass wir ihr halbes Gehirn ohne Tricks unter dem Mikroskop sehen können. Wir sind zufällig auf Danionella gestoßen, aber uns war sofort klar, was für einen Schatz sie für die Lebenswissenschaften bedeutet. Wir entwickeln jetzt mikroskopische Methoden, um die neuronalen Netzwerke im ganzen Gehirn dieser Fische mit zellulärer Auflösung studieren zu können.
2018 haben wir unsere Erkenntnisse zu Danionella translucida publik gemacht. Mittlerweile nutzen mehr als ein Dutzend Labore weltweit die neuen Möglichkeiten. Ich hoffe, dass unsere Methoden vielen Forscher:innen helfen werden, das grundlegende Wissen über das Gehirn zu vermehren und mit diesem Wissen Therapien für neurologische Erkrankungen zu entwickeln.
Aufgezeichnet von Mirco Lomoth