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Hirnforschung/Elektronenmikroskopie: Neurone in 3-D

Um den Schaltplan von Nervenzellen zu entschlüsseln, schneiden Forscher das Hirngewebe in unzählige Scheibchen und nehmen sie einzeln mit einem Elektronenmikroskop auf. Neue Techniken automatisieren diesen Prozess und ermöglichen so dreidimensionale Rekonstruktionen großer Netzwerke.
Ein kleines Mikroskop, ein Fläschchen Silbernitrat, Tusche und Feder – mit diesen Utensilien läutete der spanische Mediziner Santiago Ramón y Cajal (1852 – 1934) den Anfang der Neuroanatomie ein. Mit einer von seinem italienischen Zeitgenossen Camillo Golgi (1843 – 1926) entwickelten Färbemethode schwärzte er dünne Scheibchen Nervengewebe und machte so deren Bestandteile im Lichtmikroskop sichtbar. Peinlich genau zeichnete er die Zellverbindungen auf Papier nach. Auf diese Weise entdeckte Ramón y Cajal die charakteristischen Formen und Verästelungen verschiedener Typen von Nervenzellen.

Der Mediziner bemerkte schnell, dass das Gewebe des Zentralnervensystems aus dicht gepackten Neuronen besteht, die über zahlreiche Synapsen miteinander verbunden sind. Mit der Golgi-Färbemethode konnte er allerdings immer nur einen winzigen Bruchteil der Zellen eines Gewebes untersuchen; er war noch weit davon entfernt, den gesamten Schaltplan eines Gehirns zu entschlüsseln. So schrieb er in seiner Autobiografie: "Die unbeschreibliche Komplexität der Struktur der grauen Substanz ist so vertrackt, dass sie der hartnäckigen Neugier von Forschern trotzt und noch viele Jahrhunderte trotzen wird."

Das erste Lebewesen, dessen Nervensystem vollständig rekonstruiert wurde, ist der etwa ein Millimeter lange Fadenwurm Caenorhabditis elegans. 1972 zerlegte das Team um die Biologen Sydney Brenner und John White vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge(England) das filigrane Tier in unzählige dünne Scheibchen und bildete die einzelnen Schnitte mit einem Elektronenmikroskop ab. Anschließend fügten die Forscher die Aufnahmen zu einem dreidimensionalen Stapel zusammen, wobei sie jedes Bild exakt an dem darunterliegenden ausrichteten. In mühevoller Kleinarbeit verfolgten und kartierten die Biologen die Fortsätze jedes einzelnen der insgesamt 302 Neurone des Wurms. 14 Jahre dauerte es, bis die Ergebnisse publiziert werden konnten: der erste "Atlas" eines Nervensystems.

Das Projekt war derart arbeitsintensiv, dass es damals kaum denkbar erschien, sich größeren Lebewesen zuzuwenden. Doch etwa 30 Jahre später entwickelte Winfried Denk vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg eine Methode, die ...
Mai 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Mai 2011

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