Konfokales aufrechtes Mikroskop
Final Report Abstract
Das beantragte Konfokalmikroskop wurde für eine Reihe von wissenschaftlichen Projekten eingesetzt, die es zum Ziel haben, die Organisation des Gehirns auf der Ebene der neuronalen Schaltkreise besser zu verstehen. Hierzu wurde mit Hilfe des Mikroskops die räumliche Anordnung und Verteilung verschiedener Nervenzelltypen und deren synaptischen Verbindungen im fixierten Gewebe – vor allem der Netzhaut – mit hoher räumlicher Auflösung dargestellt. Die räumliche Verteilung von Nervenzelltypen liefert wichtige Erkenntnisse über die Beteiligung der jeweiligen Zellen an funktionellen Schaltkreisen; so kann z.B. eine höhere Zelldichte in Kombination mit kleineren Dendritenbäumen bei Ganglienzellen, also den Ausgangsneuronen der Netzhaut, auf eine höhere räumliche visuelle Auflösung hinweisen. Außerdem kann durch das Anfärben einer Retina, die zuvor physiologisch untersucht wurde (z.B. durch Messungen der durch Lichtreize ausgelösten Netzhautaktivität), eine Beziehung zwischen funktionellen und anatomischen Nervenzelltypen hergestellt werden. Diese Art von Analysen, die ohne das hier beantragte Konfokalmikroskop nicht ohne weiteres möglich gewesen wären, haben wir z.B. für die Verteilung bestimmter Ganglienzelltypen in der Netzhaut der Maus durchgeführt. Ein gutes Beispiel hierfür ist eine Analyse der Satb2-positiven Zellen; Satb2 ist ein Transkriptionsfaktor, der in verschiedenen Tierarten bestimmte Ganglienzellen markiert. In einer Kollaboration mit Arbeitsgruppen in den USA (u.a. Stanford University) konnten wir zeigen, dass die Funktion dieser Ganglienzelltypen überraschenderweise nicht über Tierarten hinweg konserviert ist: Während die Zellen z.B. in Maus und Kaninchen eine wichtige Funktion übernehmen und die Richtung eines bewegten Objekts signalisieren, scheinen sie in Primaten inkl. dem Mensch andere, bisher nur wenig verstandene Aufgaben zu übernehmen. In einem weiteren Kooperationsprojekt mit Wissenschaftlern der Semmelweiss University (Ungarn) und der Universität Oldenburg untersuchen wir systematisch, wie verschiedene Ganglienzelltypen über die Mäusenetzhaut verteilt sind. Hierfür ist es wichtig, dass das Mikroskop hoch aufgelöste Montagen kompletter Netzhäute liefern kann; diese dienen nun als Material für die Entwicklung einer automatisierten Zell-Erkennungssoftware, die mit Prinzipen des Maschinellen Lernens arbeitet. Solch eine Software hat großes Potential z.B. auch bei der Auswertung von histologischen Färbungen von retinalen Krankheitsmodellen. In all den genannten Projekten wurden anatomische Daten, die mit dem beantragten Konfokalmikroskop erhoben wurden, mit anderen Methoden wie z.B. Aktivitätsmessungen und maschinellen Datenanalyse-Ansätzen kombiniert, um so die Aussagekraft der Studien zu erhöhen. Ein weiterer Schwerpunkt der Nutzung des Konfokalmikroskops ist die Darstellung synaptischer Strukturen. Hier wurden z.B. pre- und postsynaptische Proteine an Synapsen von inhibitorischen Interneuronen dargestellt, um die komplexen Synapsen in der äußeren Netzhaut der Maus genauer zu untersuchen. Wir erwarten von dieser Studie, die in einer Kollaboration mit Forschern am Forschungszentrum Caesar (Bonn) und der Universität Oldenburg durchgeführt wird, neue Erkenntnisse über die Vorverarbeitung von Photorezeptorsignalen, bevor sie an die innere Netzhaut weitergeleitet werden. Dies ist ebenfalls relevant für ein besseres Verständnis der synaptischen Veränderungen, die mit Photorezeptordegeneration einhergehen. Hier werden konfokale Aufnahmen von Immunfärbungen, Zellrekonstruktionen mit elektronenmikroskopischen Daten und Computermodellierung kombiniert. Ein zusätzlicher Anwendungsbereich des Konfokalmikroskops war die Kartierung der Genexpression in den Larven verschiedener transgener Zebrafischlinien. In Kooperation mit Wissenschaftlern aus Japan (National Institute for Genetics) wurde unter anderem anhand der am Mikroskop gewonnenen Daten eine „pipeline“ für das „screenen“ von Zebrafischlinien entwickelt. Das Mikroskop wird zurzeit in einem weiteren Projekt eingesetzt, in dem die kortiko-thalamo-kortikale Schleife unter dem Einfluss von transkranieller Magnet-Stimulation (TMS) untersucht wird. In diesem Projekt sollen mit Hilfe des Konfokalmikroskops die einzelnen Strukturen im Thalamus näher charakterisiert und voneinander abgegrenzt werden.
Publications
- (2016) The functional diversity of retinal ganglion cells in the mouse. Nature 529(7586):345-50
Baden T, Berens P, Franke K, Román Rosón M, Bethge M, Euler T
(See online at https://doi.org/10.1038/nature16468) - (2017) Inhibition decorrelates visual feature representations in the inner retina. Nature542(7642):439-444
Franke K, Berens P, Schubert T, Bethge M, Euler T, Baden T
(See online at https://doi.org/10.1038/nature21394) - (2017) Local Signals in Mouse Horizontal Cell Dendrites. Curr Biol. 27(23):3603-3615.e5
Chapot CA, Behrens C, Rogerson LE, Baden T, Pop S, Berens P, Euler T, Schubert T
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cub.2017.10.050)
