Die Erforschung des Gehirns und seiner komplexen Funktionen ist eine der größten Herausforderungen der modernen Wissenschaft. Um die Funktionsweise des Gehirns auf der Ebene einzelner Nervenzellen untersuchen zu können, müssen Hirnforscher auf verschiedene Methoden zurückgreifen. Diese Methoden reichen von nicht-invasiven Techniken, die am Menschen angewendet werden können, bis hin zu invasiven Verfahren, die an Versuchstieren durchgeführt werden. In diesem Artikel werden wir einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Methoden zur Untersuchung von Gehirnzellen geben, einschließlich ihrer Vor- und Nachteile sowie ihrer Anwendungen in der Forschung und Klinik.
Einführung
Das Gehirn ist das komplexeste Organ des menschlichen Körpers. Schätzungen gehen davon aus, dass das zentrale Nervensystem von höheren Säugetieren aus 1011 Neuronen zusammengesetzt ist. Die Neurone kommunizieren mit ihrem Partner über 1015 Kontaktstellen, die als Synapsen bezeichnet werden. Die Informationsverarbeitung im Gehirn ist einer der komplexesten Prozesse des Körpers; Störungen wirken sich nicht selten als schwerwiegende neurologische Erkrankungen aus. Die Erforschung der Signalweitergabe im Gehirn ist deshalb der Schlüssel zum Verständnis verschiedenster Krankheiten - methodisch aber stellt sie Wissenschaftler vor große Herausforderungen.
Nicht-invasive Methoden
Nicht-invasive Methoden ermöglichen es, die Aktivität des Gehirns zu messen, ohne in den Körper einzudringen. Diese Methoden sind besonders wertvoll für die Forschung am Menschen, da sie keine Risiken für die Probanden darstellen. Die wichtigsten nicht-invasiven Methoden sind:
Elektroenzephalographie (EEG)
Die Elektroenzephalographie (EEG) ist eine Methode zur Messung der elektrischen Gehirnströme. Die Nervenzellen produzieren elektrische Signale, die durch die Schädeldecke gemessen und auch beeinflusst werden können. Beim EEG werden Elektroden an bestimmten Stellen des Kopfes angebracht und über Kabel mit einem EEG-Gerät verbunden. Diese Messung wird als Elektroenzephalogramm (EEG) bezeichnet. Auf die Kopfhaut werden Metallplättchen (Elektroden) aufgesetzt (meist 16 oder mehr). gemessen, mit einem speziellen Gerät verstärkt und schließlich als Hirnstromwellen aufgezeichnet. Dieses elektrische Potenzial bauen die Nervenzellen selbst auf. Mit einem EEG lassen sich krankhafte Veränderungen der elektrischen Hirnaktivität erfassen. Auf die Kopfhaut des Patienten werden meist 16 oder mehr Elektoden gleichmäßig platziert, um die Gehirnströme aufzuzeichnen. Eine Routine-EEG-Ableitung dauert ungefähr 20 bis 30 Minuten.
Ein EEG wird zum Beispiel bei Verdacht auf eine Nervenerkrankung wie etwa Epilepsie oder bei Hirnschädigungen aufgezeichnet. Manchmal wird während Operationen damit die Narkose überwacht. Auf Intensivstationen oder in einem Schlaflabor kann es Auskunft über die Hirnfunktion geben. Mit einem EEG lässt sich außerdem der Hirntod eines Menschen feststellen.
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Normalerweise werden für ein EEG 21 Elektroden verwendet. Um das Anbringen zu erleichtern, sind sie meist samt Kabeln in einer Haube zum Aufsetzen auf den Kopf befestigt. Vor der Untersuchung werden die Elektroden mit Kontaktgel bestrichen. Eine Rasur ist nicht nötig. Die Haare sollten aber gewaschen sein und ohne Rückstände von Produkten wie Festiger, Gel oder Haarspray.
Gemessen wird in entspannter, möglichst ruhiger Haltung im Liegen oder Sitzen. Während der Untersuchung gibt eine medizinische Fachkraft Anweisungen, zum Beispiel die Augen zu öffnen oder heftig ein- und auszuatmen. Manchmal werden auch bestimmte Reize wie flackerndes Licht eingesetzt, um die Hirnaktivität anzuregen.
Anders als eine Herzkurve beim EKG zeigt ein Elektroenzephalogramm keine Zackenmuster, sondern mehrere Wellen. Der Verlauf der Wellen hängt vor allem davon ab, wie aktiv das Gehirn gerade ist - also ob man wach ist oder schläft, konzentriert oder müde. Bei jedem Menschen zeigt sich ein für ihn typisches normales EEG-Bild. Das bedeutet, dass „normale“ EEGs sehr unterschiedlich aussehen können. Bei Kindern ist die Spannbreite noch ausgeprägter, zudem verläuft das Wellenmuster bei ihnen viel langsamer und unregelmäßiger als bei Erwachsenen.
Wenn ein EEG zur Diagnose eingesetzt wird, wird darauf geachtet, wie häufig die Wellen auftreten (Frequenz) und wie hoch sie sind (Amplitude). Abweichungen von typischen Wellenmustern können auf eine Erkrankung oder Störung hinweisen. Zum Beispiel fallen epileptische Krampfanfälle durch besonders hohe und steile Wellen (sogenannte Spikewellen) auf.
Anwendungen:
- Diagnose von Epilepsie
- Untersuchung von Schlafstörungen
- Überwachung der Narkosetiefe
- Feststellung des Hirntods
- Erforschung von mentalen Zuständen wie Aufmerksamkeit, Handlungsentscheidungen oder Traum
Vorteile:
- Nicht-invasiv
- Hohe zeitliche Auflösung
- Relativ kostengünstig
Nachteile:
- Geringe räumliche Auflösung
- Empfindlich gegenüber Störungen
Magnetoenzephalographie (MEG)
Die Magnetenzephalographie (MEG) misst die Magnetfelder, die durch die elektrische Aktivität des Gehirns entstehen. Wo Strom fließt, entstehen Magnetfelder. Anders als beim EEG werden diese nicht mit Elektroden, sondern mit bis zu 300 Magnetfeldsensoren aufgenommen. Diese befinden sich in einer Art überdimensionalem Helm, in den der sitzende oder liegende Patient seinen Kopf hält. Wie beim EEG besteht das Ergebnis in Kurven, die von Ärzten oder Forschern interpretiert werden.
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Mit der optimierten MEG-Technologie haben wir jetzt ein grundlegendes Instrument mehr in unserem neurowissenschaftlichen WerkzeugkastenLangsame Ströme - sogenannte postsynaptische Potenziale - entstehen, wenn Nervenzellen Signale von anderen Nervenzellen empfangen. Feuern sie dagegen selbst und geben damit Informationen an nachgeschaltete Neuronen oder auch Muskeln weiter, verursacht das schnelle Ströme mit einer Dauer von nur einer Tausendstelsekunde: die sogenannten Aktionspotenziale. „Von außen konnten wir Nervenzellen bisher also nur beim Empfangen, nicht aber beim Weiterleiten von Informationen nach einem einzelnen Sinnesreiz beobachten“, erläutert Dr. Gunnar Waterstraat von der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie am Charité Campus Benjamin Franklin. „Man könnte sagen: Wir waren gewissermaßen auf einem Auge blind.“ Ein Team um Dr. Waterstraat und Dr. Rainer Körber von der PTB hat jetzt die Grundlage dafür gelegt, dass sich das ändert. Der interdisziplinären Forschungsgruppe ist es gelungen, die MEG-Technologie so empfindlich zu machen, dass sie auch schnelle Hirnströme als Antwort auf einzelne Sinnesreize erkennen kann. Das erreichte das Team, indem es das Eigenrauschen des MEG-Geräts deutlich reduzierte. „Die Magnetfeld-Sensoren in einem MEG-Gerät werden in flüssiges Helium getaucht, um sie auf -269°C zu kühlen“, erklärt Dr. Körber. „Dazu ist das Kühlgefäß sehr aufwendig isoliert. Diese Superisolierung besteht allerdings aus mit Aluminium bedampften Folien, die selbst ein magnetisches Rauschen verursachen und deshalb kleine Magnetfelder beispielsweise von Nervenzellen überlagern. Wir haben die Superisolierung des Kühlgefäßes jetzt so konstruiert, dass dessen Rauschen nicht mehr messbar ist. So ist es uns gelungen, die MEG-Technologie um das Zehnfache empfindlicher zu machen.“Dass das neue Instrument tatsächlich in der Lage ist, schnelle Hirnströme zu erfassen, zeigte das Forschungsteam am Beispiel der Reizung eines Armnervs. Dazu wurde ein Nerv am Handgelenk bei vier gesunden Probanden elektrisch stimuliert und der MEG-Sensor unmittelbar über dem Hirnareal positioniert, das für die Verarbeitung von Sinnesreizen der Hand verantwortlich ist. Um Störquellen wie Stromnetze oder elektronische Bauteile auszuschließen, fanden die Messungen in einer elektromagnetisch abgeschirmten Messkammer der PTB statt. Wie die Forschenden feststellten, ließen sich so Aktionspotenziale einer kleinen Gruppe synchron aktivierter Neurone messen, die in der Hirnrinde in Antwort auf einzelne Stimulationsreize entstanden. „Wir haben also das erste Mal nichtinvasiv den Nervenzellen im Gehirn beim Senden von Informationen nach einem Berührungsreiz zugeschaut“, betont Dr. Waterstraat. „Interessanterweise konnten wir dabei beobachten, dass diese schnellen Hirnströme trotz konstanter Stimulation nicht gleichförmig sind, sondern sich von Reiz zu Reiz verändern. Diese Veränderungen waren zudem unabhängig von den langsamen Hirnsignalen. Die Information über eine Berührung der Hand wird vom Gehirn also erstaunlich variabel verarbeitet, obwohl alle Nervenreize gleichartig war.“Dass die Wissenschaftler jetzt einzelne Reizantworten miteinander vergleichen können, eröffnet der neurologischen Forschung die Möglichkeit, bisher ungeklärte Fragen zu untersuchen: Welchen Einfluss haben Faktoren wie Aufmerksamkeit oder Müdigkeit auf die Informationsverarbeitung im Gehirn? Oder das zeitgleiche Auftreten weiterer Reize? Auch zu einem tieferen Verständnis und einer besseren Therapie neurologischer Erkrankungen könnte das hochempfindliche MEG-System beitragen. Beispielsweise sind die Epilepsie und das Parkinson-Syndrom unter anderem mit Störungen der schnellen Hirnsignale verbunden. „Mit der optimierten MEG-Technologie haben wir jetzt ein grundlegendes Instrument mehr in unserem neurowissenschaftlichen Werkzeugkasten, um all diese Fragen nichtinvasiv zu adressieren“, sagt Dr.
Anwendungen:
- Diagnose von Epilepsie
- Lokalisierung von Hirnfunktionen vor Operationen
- Erforschung von kognitiven Prozessen
Vorteile:
- Nicht-invasiv
- Hohe zeitliche Auflösung
- Bessere räumliche Auflösung als EEG
Nachteile:
- Teuer
- Empfindlich gegenüber Störungen
Transkranielle Magnetstimulation (TMS)
Während EEG und MEG messen, was im Gehirn geschieht, ist die Transkranielle Magnetstimulation dazu da, die Aktivität des Gehirns zu beeinflussen. Dazu wird eine Magnetspule an den Kopf angelegt, die für Sekundenbruchteile ein Magnetfeld erzeugt, bei der repetitiven TMS auch eine ganze Salve von Magnetpulsen. Diese dringen durch den Schädelknochen und lassen im Gehirn einen elektrischen Strom entstehen, der in den Neuronen des stimulierten Bereichs Aktionspotenziale auslöst. Dadurch wir die natürliche Aktivität der betreffenden Hirnregion für kurze Zeit gestört.
Anwendungen:
- Diagnose von Erkrankungen wie Multipler Sklerose, Schlaganfall, Epilepsie oder Migräne
- Therapeutische Anwendung bei Depressionen, Schizophrenie, Parkinson und Multipler Sklerose
- Steigerung der kognitiven Leistungsfähigkeit
Vorteile:
- Nicht-invasiv (im Sinne von nicht-chirurgisch)
- Kann Hirnaktivität beeinflussen
Nachteile:
- Kann Kopfschmerzen verursachen
- In seltenen Fällen können epileptische Anfälle ausgelöst werden
Neuro-Ultraschall
Unter dem Begriff Neuro-Ultraschall fassen wir verschiedene Ultraschalluntersuchungen der Nerven und des Gehirns zusammen. Eine transkranielle Ultraschalluntersuchung ermöglicht beispielsweise bei Verdacht auf Parkinson eine genauere Beurteilung des Hirnstammes. Bei Engpass-Syndromen (z. B.
Anwendungen:
- Beurteilung des Hirnstammes bei Verdacht auf Parkinson
- Untersuchung der Durchblutung der Arterien, die das Gehirn mit Blut versorgen (Doppler- und Duplexsonographie)
- Früherkennung von Verschlüssen der Halsschlagadern zur Schlaganfallprophylaxe
Vorteile:
- Nicht-invasiv
- Unschädlich für den Menschen
- Ermöglicht die Beurteilung der Hirndurchblutung
Nachteile:
- Begrenzte Eindringtiefe
- Abhängig von der Erfahrung des Untersuchers
Invasive Methoden
Invasive Methoden erfordern das Eindringen in den Körper, um die Aktivität von Gehirnzellen zu messen oder zu beeinflussen. Diese Methoden werden hauptsächlich an Versuchstieren durchgeführt, können aber auch in bestimmten klinischen Situationen beim Menschen eingesetzt werden.
Elektrophysiologie
Um die Funktionsweise des Gehirns auf der Ebene einzelner Nervenzellen untersuchen zu können, müssen Hirnforscher auf Untersuchungen an Versuchstieren zurückgreifen. Die hauchdünnen Mikroelektroden messen die Nervenzellaktivität direkt am Ort des Geschehens im Gehirn und bieten so eine sehr hohe räumliche Auflösung.
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Anwendungen:
- Untersuchung der Signalübertragung zwischen Neuronen
- Untersuchung der Eigenschaften von einzelnen Rezeptor- und Kanaltypen
- Erforschung von Krankheitsmodellen
Vorteile:
- Hohe räumliche und zeitliche Auflösung
- Ermöglicht die Messung der Aktivität einzelner Nervenzellen
Nachteile:
- Invasiv
- Kann Gewebeschäden verursachen
- Nicht am Menschen durchführbar (außer in bestimmten klinischen Situationen)
Optogenetik
Optogenetisch kontrollierte Current Clamp MessungDa Nervenzellen und einige andere Zellen elektrische Eigenschaften besitzen, ist es möglich mit elektrophysiologischen Techniken die elektrische Reaktion einzelner Zellen auf beispielsweise pharmakologische, oder optogenetische Manipulation zu untersuchen. Beispielsweise lassen sich Ströme, die durch Kanäle fließen oder auch Spannungsänderungen an der Membran einer Zelle messen. Unsere Arbeitsgruppe verwendet vor allem die Patch-Clamp-Technik, um die elektrischen Eigenschaften von erregbaren Zellen in Kultur und von Nervenzellen in akuten Hirnschnitten, unter Einfluss des Neurotransmitters Serotonin, zu untersuchen. BergOptogenetische Lichtstimulation im Hirngewebe während VerhaltensexperimentStörungen im Serotoninhaushalt können eine Ursache für verschiedene Erkrankungen, wie Angst und Depressionen sein. Speziell die 5-HT1 Autorezeptoren, serotonerge G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), welche die Ausschüttung von Serotonin (5-HT) regulieren, sind für den Serotoninhaushalt entscheidend. Diese Autoregulation des serotonergen Systems interessiert uns besonders, da vermutlich Veränderungen innerhalb dieser Signalkaskaden für unterschiedlichste psychiatrische Erkrankungen verantwortlich sind.Interessanterweise gibt es diese GPCRs auch auf nicht serotonergen Neuronen (Heteroregulation) des zentralen Nervensystems (ZNS), wo ihre Aktivierung verschiedene Auswirkungen haben kann. Es ist jedoch unklar, in welchem Maße auch die Heterorezeptoren Einfluss auf Angsterkrankungen und Depressionen nehmen. Bislang konnten diese intrazellulären Signalwege nicht gezielt untersucht werden, da die Möglichkeit fehlte, sie mit hoher zeitlicher und räumlicher Kinetik anzuschalten.
Anwendungen:
- Untersuchung der Rolle spezifischer Nervenzellen bei bestimmten Verhaltensweisen
- Erforschung von neuronalen Schaltkreisen
- Entwicklung von neuen Therapien für neurologische Erkrankungen
Vorteile:
- Ermöglicht die gezielte Manipulation von Nervenzellen
- Hohe zeitliche und räumliche Auflösung
Nachteile:
- Invasiv
- Erfordert genetische Manipulation
- Nicht am Menschen durchführbar
Liquorpunktion
Bei einer Lumbalpunktion wird Nervenwasser (Liquor) entnommen, um bestimmte Erkrankungen wie Multiple Sklerose oder Alzheimer besser zu diagnostizieren.
Anwendungen:
- Diagnose von entzündlichen Erkrankungen des Nervensystems (z.B. Multiple Sklerose)
- Diagnose von Infektionen des Nervensystems (z.B. Meningitis)
- Diagnose von neurodegenerativen Erkrankungen (z.B. Alzheimer)
Vorteile:
- Ermöglicht die Analyse von Nervenwasser
- Kann wichtige Informationen für die Diagnose liefern
Nachteile:
- Invasiv
- Kann Kopfschmerzen verursachen
- Selten: Infektionen oder Blutungen
Weitere Untersuchungsmethoden
Neben den oben genannten Methoden gibt es noch eine Reihe weiterer Techniken, die zur Untersuchung von Gehirnzellen eingesetzt werden können:
Neuropsychologische Diagnostik
Die neuropsychologische Diagnostik und Therapie dient der Feststellung und Behandlung hirnorganisch verursachter Störungen geistiger (kognitiver) Funktionen, des emotionalen Erlebens, des Verhaltens und der Krankheitsverarbeitung sowie der damit verbundenen Störungen psychosozialer Beziehungen, beispielsweise nach einem Unfall aber auch nach Schlaganfall, Hirnblutung, Gehirnoperation oder einer entzündlichen Erkrankung des Gehirns.
Anwendungen:
- Abschätzung des Ausmaßes des prä- bzw. postchirurgischen kognitiven Leistungsbildes
- Erfassung von Epilepsie-assoziierten kognitiven Teilleistungsstörungen
- Planung von operativen Eingriffen
Vorteile:
- Nicht-invasiv
- Ermöglicht die Beurteilung von kognitiven Funktionen
Nachteile:
- Subjektiv
- Abhängig von der Mitarbeit des Patienten
Molekulare Diagnostik
Bei Hirntumoren lassen sich, wie bei anderen Krebsarten auch, zahlreiche Veränderungen in den Erbanlagen (Genen) jeder einzelner Tumorzelle finden.
Anwendungen:
- Diagnose von Hirntumoren
- Identifizierung von genetischen Veränderungen
Vorteile:
- Ermöglicht die Identifizierung von spezifischen Markern
- Kann zur Entwicklung von zielgerichteten Therapien beitragen
Nachteile:
- Invasiv (Biopsie erforderlich)
- Teuer
Super-Resolution Mikroskopie
In den letzten Jahren wurden verschiedene neuartige Methoden in der Fluoreszenzmikroskopie entwickelt, die unter dem Begriff „Super-Resolution Mikroskopie“ zusammengefasst werden. Diese Methoden bieten eine optische Auflösung, die weit unterhalb der Beugungsgrenze liegt und die somit eine strukturelle Auflösung auf molekularer Ebene ermöglichen. Erreicht wird die bessere Auflösung durch die Verringerung der sog. ‚point spread function‘ (PSF) im Mikroskop mit Hilfe komplexer Anregungsoptiken (STED, SIM) oder durch die sequentielle Bestimmung der Position einzelner Fluorophore (PALM, dSTORM). In der Arbeitsgruppe ist ein Elyra P.1® sowie ein Elyra 7 System (Zeiss) etabliert, welches verschiedene Methoden der lokalisationsbasierten hochauflösenden Mikroskopie sowie der strukturierten Beleuchtung anwenden kann. Insbesondere wird die dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Technik verwendet. Diese Methode nutzt organische Fluoreszenzfarbstoffe, die langlebige Dunkelzustände (OFF-Zustand) aufweisen. Die Dauer des Dunkelzustandes wird durch die chemischen Eigenschaften der Messpufferlösung reguliert und die Farbstoffe kehren stochastisch in den fluoreszierenden ON-Zustand zurück. Während der Bildaufnahme befinden sich die meisten Fluorophore im OFF-Zustand und nur wenige im ON-Zustand. Aufgrund dieses Blinkverhaltens kann in Bildreihen von mehr als 20.000 Einzelaufnahmen die Position einzelner fluoreszierender Moleküle mit hoher Genauigkeit mit Hilfe eines speziellen Schwerpunklokalisations-Algorithmus detektiert werden. Aus der Gesamtheit aller bestimmten Fluorophor-Positionen wird ein hochaufgelöstes Bild erzeugt, wobei typischerweise optische Auflösungen von 20-50 nm erreicht werden. In der Arbeitsgruppe sind weiterhin hochauflösende Mikroskope vorhanden, die auf dem Prinzip der strukturierten Beleuchtung basieren. Hierbei wird das Beugungslimit durch die Ausnutzung des sogenannten Moiré-Effektes überwunden. Mit diesem Effekt erfolgt durch Überlagerung von verschiedenen Frequenz-Strukturen (Beleuchtungsmuster) eine Reduzierung der Auflösung. Außerdem benötigt dieses Verfahren keinen zusätzlichen Imaging-Puffer und kann auch mit geringeren Laserintensitäten insbesondere für Lebendzellanalysen eingesetzt werden. Somit ist es mit dieser Mikroskopietechnik möglich, zelluläre Veränderungen hochaufgelöst zu untersuchen.
Anwendungen:
- Visualisierung von Zellorganellen und subzellulären Strukturen
- Untersuchung von molekularen Prozessen in Zellen
Vorteile:
- Sehr hohe Auflösung
- Ermöglicht die Visualisierung von Strukturen auf molekularer Ebene
Nachteile:
- Teuer
- Erfordert spezielle Ausrüstung und Expertise
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