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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.
Methoden der Hirnforschung
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 ...

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  • Quellen
Briggman, K. L. et al.: Wiring Specificity in the Direction-Selectivity Circuit of the Retina. In: Nature 471, S. 183-188, 2011

Denk, W., Horstmann, H.: Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy to Recon­s­truct Three-Dimensional Tis­­sue Nanostructure. In: PLoS Biology 2, e329, 2004

Hayworth, K. J. et al.: Automating the Collection of Ultra­thin Serial Sections for Large Volume TEM Reconstructions. In: Microscopy and ­Microanalysis 12, S. 86-87, 2006

Helmstaedter, M. et al.: 3D Structural Imaging of the Brain with Photons and Electrons. In: Current Opinion in Neurobiology 18, S. 633-641, 2008