Neurowissenschaftler sind in den letzten Jahren immer tiefer in die Struktur und Physiologie des menschlichen Gehirns vorgedrungen. Technische Fortschritte wie die Entwicklung der sogenannten Multi-Photonen-Mikroskopie eröffnen heute so tiefe Einblicke in unser Denkorgan wie nie zuvor. Bei diesem Verfahren werden lebende Gewebe mit stark fokussiertem Laserlicht bestrahlt und Atome oder Moleküle mithilfe mehrerer gleichzeitig eintreffender, langwelliger Photonen angeregt. Während klassische Lichtmikroskopie-Techniken nur die oberflächlichen Strukturen des Gehirns erfassen können, sind mit der Multi-Photonen-Mikroskopie auch hochaufgelöste Aufnahmen von tieferliegenden Gewebeschichten möglich.
Murat Yildirim vom Massachusetts Institute of Technology und seine Kollegen haben diese Methode nun weiter verfeinert. Mithilfe einer optimierten Version der 2013 entwickelten Drei-Photonen-Mikroskopie ist es ihnen zum ersten Mal gelungen, einen Blick durch sämtliche Schichten des Kortex eines Mäusegehirns zu werfen – und den Tieren gewissermaßen beim Denken zuzuschauen. “Indem wir das optische Design und andere Parameter für die Messungen am lebenden Gehirn verändert haben, konnten wir Entdeckungen machen, die vorher nicht möglich waren”, berichtet Koautor Mriganka Sur.
Neuronen in Aktion
Um zu demonstrieren, was mit dem neuen Verfahren machbar ist, konfrontierten die Forscher Mäuse mit visuellen Reizen – unter anderem Gittermuster mit jeweils unterschiedlichen Ausrichtungen, die sich über einen Bildschirm bewegten. Wie würden die Hirnzellen des visuellen Kortex darauf reagieren? Dies konnten Yildirim und seine Kollegen mithilfe ihres Mikroskops beobachten, weil sie die Zellen zuvor genetisch nicht nur so verändert hatten, dass sie bei Anregung mit Laserlicht fluoreszieren – sondern dies abhängig vom Calciumspiegel in ihrem Inneren tun. Da der Calciumspiegel mit der Aktivität der Nervenzellen zusammenhängt, ließen sich die Zellen auf diese Weise in Aktion beobachten.
Der Blick durch alle sechs Schichten des Cortex offenbarte, dass die Zellen in den unterschiedlichen Schichten jeweils anders auf visuelle Reize reagieren. So schienen die Neuronen in der zweittiefsten Schicht eher unspezifisch auf eine Vielzahl von Muster-Ausrichtungen zu reagieren. Außerdem zeigten sie mehr spontane Aktivität als Zellen in anderen Schichten und schienen zudem stärker mit tieferliegenden Bereichen des Gehirns vernetzt zu sein, wie das Forscherteam berichtet. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei den Neuronen in Schicht sechs offenbar um “Spezialisten”: Sie reagierten spezifischer, je nachdem, welche Ausrichtung die präsentierten Muster hatten.
