Die Mikroskopie hat sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Neurobiologie entwickelt, das es Forschern ermöglicht, die komplizierten Details von Nervenzellen (Neuronen) und ihrer Funktion zu untersuchen. Von der Beobachtung der Gehirnaktivität in lebenden Organismen bis hin zur detaillierten Analyse der zellulären Strukturen hat die Mikroskopie unser Verständnis des Nervensystems revolutioniert.
Die Bedeutung der Mikroskopie in der Neurobiologie
Nervenzellen sind hochspezialisierte Zellen, die Informationen im ganzen Körper aufnehmen, verarbeiten und weiterleiten. Das Verständnis ihrer Struktur und Funktion ist entscheidend für die Entschlüsselung der Komplexität des Gehirns und des Nervensystems. Die Mikroskopie bietet eine Möglichkeit, diese Zellen im Detail zu visualisieren und ihre komplizierten Strukturen und Prozesse zu untersuchen.
Innovative Mikroskopietechniken zur Untersuchung von Nervenzellen
Beobachtung der Gehirnaktivität in lebenden Organismen
Fortschrittliche Mikroskopietechniken ermöglichen es Forschern, die Gehirnaktivität von Organismen in Echtzeit zu beobachten. Jennifer Li und Drew Robson vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen entwickeln Mikroskopiemethoden weiter, um die Gehirnaktivität von Zebrafischen aufzuzeichnen, während diese sich in naturnaher Umgebung frei bewegen. Zebrafische sind im Larvenstadium vollkommen transparent, was es ermöglicht, die gerade aktiven Nervenzellen unter dem Mikroskop fluoreszieren zu lassen, ohne chirurgische Eingriffe.
Hochauflösende Mikroskopie zur Visualisierung zellulärer Strukturen
Viele Strukturen in Zellen sind so klein, dass gewöhnliche Mikroskope sie nur lückenhaft abbilden können. Das neue Mikroskop, das Forscherinnen und Forscher der Universität Göttingen mit entwickelt haben, verspricht bessere Einblicke: Dank einer Auflösung von besser als fünf Nanometern erfasst es selbst kleinste Zellstrukturen. Bei dem Mikroskop handelt es sich um ein sogenanntes Fluoreszenzmikroskop. Grundlage dieser Technik ist die sogenannte Einzel-Molekül-Lokalisierungs-Mikroskopie, bei der einzelne aufleuchtende Moleküle in einer Probe ein- und ausgeschaltet und dann deren Positionen einzeln sehr präzise bestimmt werden.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jörg Enderlein vom III. Physikalischen Institut der Universität Göttingen konnte diese Auflösung jetzt nochmals verdoppeln - mithilfe eines hoch empfindlichen Detektors und einer speziellen Datenanalyse. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten im Zuge der Veröffentlichung außerdem ein Open-Source-Softwarepaket zur Datenverarbeitung.
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Aufbau einer Nervenzelle im Detail
Eine Nervenzelle besteht aus mehreren spezialisierten Strukturen, die gemeinsam die Informationsaufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung ermöglichen:
- Zellkern: Wie jede Zelle besitzt auch die Nervenzelle einen Zellkern, die Steuerzentrale der Zelle. Hier werden wichtige Prozesse wie die Eiweißproduktion und die Zellaktivität reguliert.
- Soma: Das Soma, auch Zellkörper genannt, enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
- Dendriten: Dies sind verästelte Fortsätze, an denen Informationen von anderen Nervenzellen empfangen werden. Eine einzige Nervenzelle kann bis zu 10.000 Verbindungen mit anderen Zellen eingehen.
- Axon: Das Axon ist ein langer Fortsatz, über den Informationen von den Dendriten weitergeleitet werden. Manche Axone können über einen Meter lang werden.
- Axonhügel: Der Übergang vom Soma zum Axon wird Axonhügel genannt. Hier wird entschieden, ob ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.
- Synaptische Endigungen: Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endigungen. Dort wird eine Synapse gebildet - die Kontaktstelle zu einer anderen Zelle. Über diese werden mithilfe von chemischen Botenstoffen (den Neurotransmittern) Informationen an die nächste Nervenzelle weitergegeben.
- Präsynaptische Zelle: Die sendende Zelle.
- Postsynaptische Zelle: Die empfangende Zelle.
- Myelinscheide: Um Informationen schnell und verlustfrei weiterzuleiten, ist das Axon bei vielen Nervenzellen von einer Myelinscheide (auch Markscheide) umgeben. Diese besteht aus Schwann’schen Zellen, einer Art von Gliazellen, die das isolierende Myelin produzieren. Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird regelmäßig von Ranvier’schen Schnürringen unterbrochen. Neuronen mit Myelinscheide nennt man markhaltig.
Visualisierung von Nervenzellen mit Färbetechniken
Methylenblaufärbung
Die Methylenblaufärbung ist eine einfache und kostengünstige Methode, um Nervenzellen unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. Bei dieser Technik wird eine Alkalische Methylenblaulösung verwendet, um Gewebeproben zu färben. Betrachten Sie den Querschnitt des Rückenmarks und versuchen Sie, die schmetterlingsförmige Figur zu finden. Man bezeichnet das dort als schwach orange-rötliche Gewebe als "graue" Substanz. Es handelt sich dabei um die Zellkörper der Neuronen.
Golgi-Färbung
Die Golgi-Färbung ist eine Silberfärbetechnik, die dendritische Dornen sichtbar macht, indem sie die Axone und Dendriten feiner Gehirnnervenzellen schwarz färbt. Diese Methode wurde früher als „schwarze Reaktion“ bezeichnet, weil sich das feine Gewebe der Nervenzellen schwarz färbte, wenn eine Gehirnprobe, die mit einer Lösung aus Osmiumtetroxid und Kaliumdichromat fixiert wurde, in einer Silbernitratlösung gefärbt wurde. Die Golgi-Cox-Färbung, die 1891 von dem niederländischen Arzt Cox entdeckt wurde, verwendet verbesserte Verbindungen. Um eine höhere Arbeitseffizienz, einschließlich kürzerer Färbezeiten, und eine höhere Stabilität bei der Probenerstellung zu erreichen, wurden verschiedene Verbesserungen an dem Reagenz vorgenommen.
Die Rolle von Gliazellen bei der Unterstützung von Nervenzellen
Gliazellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der Arbeit der Nervenzellen. Sie regulieren die Verteilung von Ionenkanälen in den Axonen und bilden eine Myelin-ähnliche Isolierschicht.
Anwendung der Mikroskopie in der neurologischen Forschung
Untersuchung von Schlaganfällen
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine wertvolle Technik zur Untersuchung des Gehirns nach einem Schlaganfall. Durch die diffusionsgewichtete MRT können Nervenfasern auch bei Patientinnen und Patienten untersucht werden. An der Struktur des Corpus callosum lässt sich einschätzen, wie schwer die Verknüpfung zwischen beiden Hirnhälften beispielsweise durch einen Schlaganfall geschädigt wurde und wie gut die Genesung voranschreitet. Eine Forschungsarbeit untersuchte, wie sich körperliche Betätigung und Ernährung bei Mäusen nach einem Schlaganfall auf die Hirnstrukturen auswirken. Die Nervenfasern des Corpus callosum verdichteten sich und veränderten ihre zelluläre Struktur.
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Untersuchung von Schmerz
Die funktionelle MRT (fMRT) wird verwendet, um Hirnnetzwerke bei Mäusen zu untersuchen. Dort, wo das Gehirn aktiv ist, benötigt es besonders viel Sauerstoff - das bedeutet, dort verändern sich der Blutfluss, das Blutvolumen und damit die Sauerstoffversorgung. Diese hämodynamische Antwort auf die Aktivität des Nervensystems können wir mit der fMRT im zeitlichen Verlauf sichtbar machen. Eine Studie untersuchte, welche Mechanismen dahinterstecken, dass Frauen nach einer Operation ein größeres Risiko haben, chronische Schmerzen zu entwickeln, als Männer. Es zeigte sich, dass weibliche Mäuse unter gleichen Bedingungen der Schmerzverarbeitung eine stärkere Hirnaktivität haben als männliche Tiere.
Erforschung der inneren Uhr
Die innere Uhr, die durch das Gehirn getaktet wird, steuert periodisch viele Prozesse im Körper und das Verhalten. Solche Prozesse werden bei der Taufliege untersucht. Bei der Taufliege kodiert eines der Gene, das für die Weiterleitung von Lichtsignalen an die innere Uhr wichtig ist, das Protein „Quasimodo“. Dieses Protein löst im Gehirn eine Kette von molekularen Prozessen aus, die die innere Uhr nach dem äußeren Tag-Nacht-Rhythmus stellen.
Fortschrittliche Mikroskopiesysteme für die Neurobiologie
KEYENCE hat das kompakte Fluoreszenzmikroskop BZ-X entwickelt, das sowohl scharfe Bilder mit hoher Vergrößerung aufnehmen als auch riesige Datenmengen speichern kann. Bei der Betrachtung, bei der nur ein Teil einer Probe fokussiert wird, weil diese geneigt ist oder Dicken- oder Höhenunterschiede aufweist, verwendet das BZ-X die Z-Stapel-Funktion, um automatisch mehrere Bilder in Richtung der Z-Achse aufzunehmen, und die Vollfokussierungsfunktion, um nur die Teile jedes Bildes zusammenzusetzen, die im Fokus sind, was eine einfache Aufnahme vollständig fokussierter Bilder ermöglicht. Darüber hinaus ist das BZ-X mit einer Bildzusammensetzungsfunktion ausgestattet, die mehrere hochauflösende Bilder bei hoher Vergrößerung aufnimmt, während der motorisierte Objekttisch in X- und Y-Richtung in einem Bereich bewegt wird, der durch drei Koordinaten auf dem Umriss eines Objekts festgelegt ist.
Quantitative Analyse von Nervenzellen
Die Funktion Hybride Zellzählung legt einen ganzen Abschnitt als Maskenbereich fest und extrahiert und quantifiziert bestimmte Zellen in diesem Bereich auf der Grundlage von Unterschieden in Farbe und Helligkeit. Mit dieser Funktion kann der Anteil der Nervenzellen im gesamten Hirnschnitt automatisch berechnet und die Daten im Tabellenkalkulationsformat ausgegeben werden. Diese Funktion verfügt auch über einen Phasenkontrastmodus, der kultivierte Zellen extrahiert und zählt, ohne durch ungleichmäßige Helligkeit im Hintergrund beeinträchtigt zu werden, was eine genaue quantitative Analyse auch von kultivierten Nervenzellen ermöglicht.
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