Ein Ein-Gramm-Mikroskop lässt Wissenschaftler 8.500 Neuronen gleichzeitig beobachten
Zu verstehen, wie das Gehirn Milliarden von Neuronen, die gemeinsam feuern, in eine einzige Entscheidung, eine Erinnerung oder eine plötzliche Bewegung verwandelt, ist eines der schwierigsten Probleme der Wissenschaft. Ein großer Teil der Schwierigkeit besteht einfach darin, es geschehen zu sehen: Die meisten Bildgebungsinstrumente sind sperrig, an Kabeln befestigt oder können nur einen kleinen Teil des Hirngewebes auf einmal beobachten. Ein Team chinesischer Forscher behauptet, nun das leichteste drahtlose Mikroskop seiner Art gebaut zu haben, ein Gerät, das nur ein Gramm wiegt und die Aktivität Tausender Neuronen in einem sich frei bewegenden Tier aufzeichnen kann.
Das Instrument ist ein Mesoskop, eine Klasse von Mikroskopen, die für die Bildgebung relativ großer Gewebebereiche statt einzelner Zellen ausgelegt ist. Laut CCTV arbeitet das Gerät des Teams über ein Sichtfeld von sechs Millimetern Breite und kann einzelne Zellen auflösen. In Tests an Mäusen erfasste es die Aktivität von mehr als 8.500 Neuronen im zerebralen Kortex gleichzeitig – etwa 25-mal so viele, wie vergleichbare vorhandene Geräte gleichzeitig aufzeichnen können. Die Ergebnisse wurden am 19. Oktober online in Nature veröffentlicht, einer der führenden wissenschaftlichen Zeitschriften der Welt.
Der Durchbruch ist ebenso eine ingenieurtechnische Leistung wie eine biologische. Ein herkömmliches Tischmikroskop kann nicht auf dem Kopf einer Maus mitreiten, und ein Kabel zu einem festen Aufbau würde das Tier fesseln und genau das Verhalten verzerren, das Wissenschaftler beobachten wollen. Optik, Sensoren, Energieversorgung und drahtlose Übertragung in etwas zu quetschen, das ein Tier ohne offensichtliche Belastung tragen kann, erforderte neue Ansätze bei Miniaturisierung und Datenverarbeitung. Mit einem Gramm ist das Gerät leicht genug, dass Forscher glauben, es werde natürliche Bewegungen nicht wesentlich beeinträchtigen.
Das ist wichtig, weil Verhalten der Ort ist, an dem Hirnaktivität bedeutsam wird. Zu beobachten, wie Neuronen feuern, während ein Tier erkundet, sozialisiert, eine Aufgabe lernt oder auf eine Bedrohung reagiert, ist zentral für das Verständnis, wie neuronale Schaltkreise komplexes Verhalten regulieren. Bislang mussten Labore oft zwischen hochauflösender Aufzeichnung bei einem kopffixierten Tier und breiterer Beobachtung bei einem, das sich natürlich bewegen konnte, wählen. Ein drahtloses Gerät, das Tausende von Zellen auf einmal erfasst, verspricht, diesen Kompromiss erheblich zu verringern.
Die Veröffentlichung in Nature verleiht der Arbeit internationale Sichtbarkeit und signalisiert, dass die Ergebnisse eine strenge Peer-Review überstanden haben. Sie platziert chinesische Forschungsgruppen zudem fest unter den führenden Akteuren bei Neurotechnologie-Hardware, einem Bereich, in dem die Werkzeugherstellung historisch von Laboren in den USA und Europa dominiert wurde. Das Team hat keinen kommerziellen Marktstart detailliert, aber Geräte wie dieses verbreiten sich in der Neurowissenschaftsgemeinschaft tendenziell schnell, weil ein besserer Blick ins Gehirn für fast jedes Labor, das es untersucht, nützlich ist.
Für die breite Öffentlichkeit dürfte der praktische Nutzen indirekt, aber real sein. Die Kartierung, wie sich große Populationen von Neuronen koordinieren, ist grundlegend für die Arbeit zu Lernen, Gedächtnis, Schlaf und neurologischen Erkrankungen. Bessere Werkzeuge führen nicht automatisch zu Behandlungen, aber sie verändern, welche Fragen beantwortbar werden. Ein Mikroskop, das Tausende von Neuronen durch alltägliches Verhalten verfolgen kann, macht einige zuvor hypothetische Experimente zu Routine.
Es gibt Grenzen, die es zu beachten gilt. Die Arbeit wurde an Mäusen durchgeführt, und die Übertragung von Befunden zwischen Arten ist nie automatisch. Das Gerät zeichnet zudem vom Kortex auf, einer Oberflächenregion, und nicht von tiefen Hirnstrukturen. Dennoch ist die Schlagzeilenzahl – ein einziges Gramm, ein sechs Millimeter großes Sichtfeld, mehr als 8.500 Neuronen auf einmal – die Art von Meilenstein, die die Erwartungen daran zurücksetzt, was ein tragbaren Hirnsensor sein kann.
Für ein Feld, das lange von seinen Instrumenten eingeschränkt wurde, ist das bedeutend. Der nächste Schritt wird sein zu sehen, wie weit andere Labore das Gerät übernehmen und welche Entdeckungen folgen, sobald die gleichzeitige Beobachtung Tausender Neuronen alltäglich wird.