Mehr Licht!

Das Mikroskop der Zukunft

Im dunklen Labor von Nadine Becker surrt es unentwegt. Die leise Stimme der Wissenschaftlerin erhebt sich kaum über das Brummen des Lasers, dem Herzstück des Zwei-Photonen-Mikroskops. „Hier sieht man auf dem Bildschirm, wie das Mikroskop nach und nach eine Nervenzelle ablichtet.“ Wie eine weiße Mäuseschar ziehen sich Spuren über den Bildschirm, die sich schließlich in der Mitte verdichten, um dann wieder auseinanderzulaufen. An einer dünnen Spur deutet die Neurobiologin auf einen auffallenden Knubbel, die Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen, Synapse genannt. „Wir haben beobachtet, wie sich die Synapse durch einen Reiz, der das Lernen simuliert, verändert. Auch – und das ist neu – die Seite der Synapse, von der die Erregung auf die nächste Nervenzelle überspringt.“

Nadine Becker arbeitet seit zwei Jahren in der Arbeitsgruppe „Zelluläre und Systemneurobiologie“ von Valentin Nägerl und erforscht das Lernen mithilfe des Zwei-Photonen-Mikroskops. „Früher konnten wir uns im lebenden Gewebe gerade mal eine Nervenzelle unter dem Mikroskop anschauen“, so Becker. „Jetzt gibt es Geräte, mit denen wir auch die weitaus kleineren Synapsen sichtbar machen können.“ Das Mikroskop steht, verdeckt von schwarzen Vorhängen, auf einem Podest neben Nadine Becker. Die Biologin schiebt den Stoff zur Seite und gibt den Blick frei auf ein unüberschaubares Gewirr aus Kästen, Kabeln und Gestänge.

Voyeure im Gehirn

Einen Gang weiter sitzt Professor Tobias Bonhoeffer, Direktor am MPI für Neurobiologie, am Schreibtisch und zeichnet rasch ein paar Linien auf einen Zettel. „Das hier“, erklärt der 47-Jährige  „ist das Zwei-Photonen-Mikroskop“, und skizziert dabei eine Röhre aus der ein spitzer Strahl kommt. „Damit können wir so tief und so detailliert in das lebende Gehirn schauen wie nie zuvor.“

Das Prinzip entdeckte die deutsche Physikerin Maria Goeppert-Mayer bereits 1931. Doch erst vor siebzehn Jahren fand der Wissenschaftler Winfried Denk einen Weg, die Theorie in die Praxis umzusetzen und entwickelte das Zwei-Photonen-Mikroskop. Eine Erfindung, die ihm den Nobelpreis bescheren könnte.

Die so genannten „Durchlicht“-Mikroskope, wie sie die Meisten von uns noch aus ihrer Schulzeit kennen, haben nichts mehr gemein mit den Vergrößerungsgeräten, die heutzutage auf den Labortischen moderner Forschungsinstitute stehen. In der traditionellen Durchlichtmikroskopie schauen wir auf ein durchleuchtetes hauchdünn geschnittenes Präparat, das durch ein Lupensystem vergrößert wird. Das Problem: Die Streuung und Brechung des Lichts durch die umgebenden Strukturen verhindern, dass man einen Blick in die Tiefe dickerer Gewebe werfen kann.

Verschmortes Gewebe

Die Lösung brachte in den 80er Jahren das so genannte Konfokalmikroskop. Dabei wird mithilfe eines Laserstrahls Licht in einen bestimmten Ort der Probe hineinfokussiert. Die so beleuchteten Moleküle beginnen daraufhin selbst Licht abzustrahlen – sie fluoreszieren. Rastert man nun ein Gewebe Punkt für Punkt ab, ergibt sich schließlich per Computeranalyse ein Bild der beobachteten Struktur. Doch auch diese Methode hat einen Haken. Damit die Moleküle überhaupt wahrnehmbares Licht abstrahlen, muss hoch energiereiches Licht in das Gewebe hineingepumpt werden. Dadurch besteht die Gefahr, dass – gerade bei dickeren Proben – das Gewebe verschmort. Schießt man aber energiearmes, beispielsweise unsichtbares, langwelliges Infrarot-Licht hinein, bringt man damit kein Molekül zum Leuchten. Aber es gibt ein Phänomen – ein im Normalfall äußerst seltenes und unwahrscheinliches Ereignis – mit dem auch diese Hürde zu überwinden ist.

Zehn Millionen Jahre und ein Lichtteilchen

„Das ist natürlich schwer zu begreifen“, gibt Tobias Bonhoeffer zu. „Im Grunde ist es so: Wenn auf der Erde zehn Millionen Jahre lang die Sonne scheinen würde, würde es einmal passieren, dass ein Molekül zufällig innerhalb einer Sekunde zwei Lichtteilchen – so genannte Photonen – aufnimmt. Dann strahlt das Molekül energiereicheres Licht aus, als hineingeschickt wurde.“ Diesen „Aus weniger mach mehr“-Trick nutzt nun das Zwei-Photonen-Mikroskop. Statt zehn Millionen Jahre zu warten, pulst ein Hochleistungslaser innerhalb von Billiardstel Sekunden energiearmes Infrarotlicht auf eine Stelle im Gewebe, das zuvor mit Farbstoffmolekülen bestückt wurde. An diesem winzigen Punkt ist die Dichte der Lichtteilchen dann so hoch, dass ein einzelnes Farbstoffmolekül gleichzeitig von zwei Teilchen getroffen wird. Das Molekül rechnet diese zweifachen „Photoneneinschläge“ zusammen und reagiert so, als wäre es von einem einzigen Lichtteilchen mit doppelter Energie getroffen worden. Sofort danach strahlt das Molekül das Licht wieder zurück – die Struktur wird im Mikroskop sichtbar, das Gewebe bleibt unversehrt. „Wir schießen da mit etwas Unsichtbarem rein und zurück kommt – irgendwie magisch – grünes Licht“, fasst Tobias Bonhoeffer das High-Tech-Geschehen zusammen.

Das Wissen für morgen

Weil die Strahlen des Zwei-Photonen-Mikroskops das Gewebe schonen und tief in es eindringen können, erlaubt das neue Verfahren, die Veränderung einer Nervenzelle über die Zeit und „live“ zu beobachten. So ersetzen die Forscher am Max-Planck-Institut beispielsweise einen kleinen Teil des Schädeldaches einer Maus durch ein Glasfenster. Durch dieses Guckloch bietet sich mithilfe des Zwei-Photonen-Mikroskops ein 0,5 bis ein Millimeter tiefer Blick ins Gehirn. Dort erkennen die Neurobiologen noch Strukturen, die einen Tausendstel Millimeter groß sind, wie beispielsweise eine Synapse. Kollegen anderer Institute untersuchen so, wie sich Nervenzellen während einer Alzheimererkrankung bei Mäusen verändern. Wird diese Forschung in absehbarer Zeit zu neuen Therapien führen, etwa gegen Gedächtnisstörungen wie Alzheimer? Mit dem Zwei-Photonen-Mikroskop können Wissenschaftler die Entwicklung der Alzheimer-Plaques im Gehirn über Monate verfolgen, und so auch die Wirkung neuer Medikamente testen. „Doch vor allem“, betont der Erfinder Winfried Denk, „ist das Mikroskop ein Instrument der Grundlagenforschung, das uns dabei hilft, das Gedächtnis immer besser zu verstehen.“

The Journal of Neuroscience, July 25, 2007, 27: 8149 – 8156

Protracted Synaptogenesis after Activity-Dependent Spinogenesis in Hippocampal Neurons.

U. Valentin Nägerl, German Köstinger, John C. Anderson, Kevan A. C. Martin, and Tobias Bonhoeffer 

Beitrag geschrieben: 2008