Lichtblicke in die Nanowelt - Max-Planck-Gesellschaft

FOKUS
Vergleich eines Konfokalmikroskops (links) mit
einem Zwei-Photonen-Mikroskop (rechts). In beiden
Geräten wird das Anregungslicht (von links
kommend) von einem Laser erzeugt und über einen
halbdurchlässigen Spiegel und eine Objektivlinse
in die Probe fokussiert. Das dort entstehende Fluoreszenzlicht
gelangt auf einen Photodetektor.
Beim konfokalen Mikroskop blockt eine Blende
Fluoreszenzlicht ab, das nicht aus der Fokusebene
stammt. Beim Zwei-Photonen-Mikroskop ist keine
Blende nötig; hier nutzt man die Tatsache, dass die
Energie, die zur Anregung eines Farbstoffmoleküls
benötigt wird, statt von einem energiereichen Photon
von zwei Photonen kommt. Fluoreszenz entsteht
nur im Fokus, wo die Photonendichte für diesen
Prozess ausreichend hoch ist. Da keine Fluoreszenz
außerhalb des Fokus entsteht, kann man das gesamte
Fluoreszenzlicht aus der Probe verwenden.
Darüber hinaus erlaubt das Verfahren
sogar, die Zwei-Photonen-
Mikroskopie mit einem Infrarot-Laser
zu betreiben. Das hat einen
großen Vorteil bei der Untersuchung
der Signalverarbeitung in der Netzhaut
(Retina) des Auges. Da die
lichtempfindlichen Zellen in der Retina
– die Photorezeptoren – kein Infrarotlicht
„sehen“, werden sie auch
nicht geblendet. Dies hat es ermöglicht,
die neuronale Aktivität in den
informationsverarbeitenden Schichten
der Netzhaut zu studieren. Erst
kürzlich erzielte Denks Mitarbeiter
Thomas Euler zusammen mit Kollegen
von der University of Washington
bedeutende Fortschritte bei der
Erforschung neurophysiologischer
Vorgänge in der Retina (MAXPLANCK-
FORSCHUNG 3/2002, S. 12).
Die Retina besteht aus mehreren
Schichten und enthält mehr als 60
verschiedene Typen von Nervenzellen.
In der äußersten Schicht befinden
sich die Photorezeptoren, die
GRAFIKEN: MPI FÜR MEDIZINISCHE FORSCHUNG
Licht in elektrische Signale umwandeln.
So genannte Bipolarzellen leiten
die Signale dann von den Photorezeptoren
in die innere Retina. Hier
sind die Fortsätze verschiedener Typen
von Neuronen zu komplexen
„Schaltkreisen“ verknüpft. Schließlich
werden die Signale an die Ausgangsneurone
(Ganglienzellen) weitergeleitet,
wo sie in eine Folge von
elektrischen Signalen umkodiert und
über den optischen Nerv ans Gehirn
gesendet werden.
GANGLIENZELLEN SIND AUF
MUSTER GEPRÄGT
Viele Ganglienzelltypen reagieren
am besten auf komplexe Lichtmuster.
So gibt es Zellen, die Linien oder
Kanten erkennen. Andere Zellen
antworten fast ausschließlich, wenn
sich ein Lichtstimulus in einer bestimmten
Richtung durch ihr empfindliches
Feld bewegt, und wiederum
andere Zellen kodieren Helligkeits-
oder Farbinformationen. Die
Ganglienzellen besitzen eine komplizierte
räumliche Struktur und
feine Verästelungen (Dendriten),
können in verschiedene Schichten
der inneren Retina vordringen und
die Signale unterschiedlicher „Schaltkreise“
anzapfen. Eulers Gruppe gelang
es mithilfe der Zwei-Photonen-
Mikroskopie, die lokalen Ereignisse
in den Dendriten unterschiedlicher
Zelltypen in der Retina sichtbar
zu machen. Auf diese Weise lässt
sich eine Menge über die informa-
tionsverarbeitenden Mechanismen
erfahren.
Bedeutende Fortschritte erwarten
die Heidelberger Forscher auch von
einer miniaturisierten Variante ihres
Mikroskops. „Wir zielen dabei direkt
auf die Neurowissenschaften ab“,
sagt Fritjof Helmchen, der als Gruppenleiter
in der Abteilung des Nobelpreisträgers
Bert Sakmann am Heidelberger
Max-Planck-Institut arbeitet.
Große Hoffnungen setzen die
Wissenschaftler auf neuartige stabförmige
Linsen mit nicht einmal einem
Millimeter Durchmesser. Mit
diesen Optiken sollte es zukünftig
möglich sein, auch an lebenden Tieren
im Labor Messungen vorzunehmen
und längerfristige Veränderungen
im Gehirn zu untersuchen.
Zuvor gilt es aber, einige technische
Hürden zu überwinden. So wird
das Laserlicht über Glasfasern in die
Optik geleitet. Voraussetzung für das
Funktionieren der Zwei-Photonen-
Mikroskopie sind kurze Laserpulse
in rascher Folge. Im Innern der
Glasfasern werden die Pulse jedoch
auseinander gezogen und gleichsam
verschmiert. „Wir glauben aber, dass
wir auch diese Problem durch den
Einsatz neuer Glasfaserarten in den
Griff bekommen“, hofft Helmchen.
Dann wird eine Stoßrichtung der
Forschung die Bildung von Eiweißablagerungen
sein, die für viele
neurodegenerative Krankheiten, wie
etwa der Alzheimerschen, typisch
sind.
THOMAS BÜHRKE
Eine lebende Netzhaut, aufgenommen mit einem Zwei-Photonen-
Mikroskop. Ganglienzellen erscheinen in Magenta, der Bereich, in dem
Bipolarzellen zusammenwirken, ist Rot bis Grün gefärbt.
FOTOS: MPI FÜR MEDIZINISCHE FORSCHUNG/EULER
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