3-Photonen-Mikroskop für in-vivo-Experimente

• Fachliche Zuordnung: Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551867552

Eine der größten Herausforderungen in den Neurowissenschaften ist es zu verstehen, wie neuronale Netzwerke das Verhalten steuern. Um diese Frage anzugehen, müssen wir die Aktivität ausgedehnter Nervenzellpopulationen tief im intakten Gehirn eines wachen Tiers während des Verhaltens messen. Selbst im kleinen Gehirn von Nagern stellt uns diese Aufgabe aber vor große Hürden. Die 3-Photonen-Mikroskopie hat sich hier als Durchbruch erwiesen, um neuronale Aktivität in wachen Tieren mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung auch in großer Tiefe zu erfassen. Mit diesem Antrag wollen wir am Universitätsklinikum Jena ein hochmodernes 3-Photonen-Mikroskop anschaffen, mit dem wir die neuronalen Grundlagen des Verhaltens in Gesundheit und Krankheit mit höchster zeitlicher und räumlicher Auflösung untersuchen können. Ein 3-Photonen-Mikroskop ist ein spezielles Bildgebungssystem, das langwellige Photonen zur Anregung von fluoreszierenden Molekülen im Gewebe verwendet. Im Vergleich zur herkömmlichen 2-Photonen-Mikroskopie hat die 3-Photonen-Mikroskopie entscheidende Vorteile insbesondere bei der Abbildung tiefer Gewebeschichten: die größere Wellenlänge des Anregungslichts sowie die nichtlineare Anregung höherer Ordnung führen dazu, dass der Signal-Rausch-Abstand in der Tiefe entscheidend verbessert werden kann. Diese Eigenschaften führen nicht nur zu quantitativen Verbesserungen, sondern erlauben es erstmals, die Aktivität von bisher schwer zugänglichen Hirnstrukturen wie dem Hippokampus durch das intakte Nagergehirn hindurch am wachen Tier über längere Zeiträume mit hoher Auflösung zu beobachten. Durch Kombination des 3-Photonen-Systems mit einer virtuellen Umgebung für Nager, die wir entwickelt haben, können wir das Verhalten der Tiere während der Bildgebung genau kontrollieren und steuern. Dieses System wird es uns ermöglichen, die neuronalen Grundlagen eines breiten Spektrums an Verhaltensweisen wie Lernen, Gedächtnis und Entscheidungsfindung im intakten Gehirn zu untersuchen. Außerdem werden wir auch wichtige translationale Anwendungsbereiche erschließen. So kann das System zur Untersuchung neurologischer Krankheitsbilder verwendet werden, für die in Jena mehrere Tiermodelle etabliert wurden. Darüber hinaus kann es in Kombination mit optogenetischen Methoden eingesetzt werden, um die Aktivität bestimmter neuronaler Schaltkreise präzise und gezielt zu steuern. Hierbei wird ein neuartiges holografisches Verfahren zum Einsatz kommen, das es uns erlaubt, die Aktivität funktionell charakterisierter Nervenzellpopulationen synchron zu erregen oder zu hemmen. Das beantragte 3-Photonen-Mikroskop soll als erstes System dieser Art in Jena zentral im Forschungszentrum Lobeda aufgestellt werden. Es wird für Arbeitsgruppen mehrerer Kliniken und Institute nutzbar sein. Durch die einzigartige optische Expertise in Jena und durch unsere eigene Erfahrung mit Multiphotonen-Bildgebung wird gesichert, dass das System effizient genutzt und weiterentwickelt werden kann.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: 3-Photonen-Mikroskop für in-vivo-Experimente
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope
• Antragstellende Institution: Friedrich-Schiller-Universität Jena
• Leiter: Professor Dr. Christoph Schmidt-Hieber