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Neuroanatomie: Transparente Totalpräparate ersetzen Hirnscheiben

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Neurobiologen könnten Details der Hirnanatomie bald am transparenten Organ nachvollziehen – anstatt, wie bisher, dafür viele Gewebeschnitte aufwändig präparieren und zusammensetzen zu müssen. Dies verspricht zumindest die Methode eines Forscherteam um Karl Deisseroth von der Stanford University. Der Gruppe gelang es, das vollständige Gehirn einer Maus strukturell intakt zu erhalten und mitsamt allen wesentlichen Nervenverbindungen und zellulären Details durchsichtig zu machen. Dazu polymerisierten sie die Zellstrukturen zu einem festen, transparenten Kunststoffgerüst.

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Mäusehirn in Grün | Die CLARITY-Technik macht Gehirne durchsichtig, lässt dabei die zellulären Strukturen aber vollständig intakt. Zudem können Proteine, Zellen oder andere Moleküle mit Fluoreszenzmarkern sichtbar gemacht werden: Dies demonstrieren die Forscher hier mit einer Markierung der Ausläufer von Thy1-Neuronen im Gehirn einer Maus.

Das "Clear Lipid-exchanged Anatomically Rigid/immunostaining-compatible Tissue hydrogel" – die Forscher bastelten aus dem sperrigen Wortungetüm das handlichere Kürzel CLARITY – entsteht in einem vergleichsweise unkomplizierten Prozess. Zunächst wird dabei ein in Formaldehyd fixiertes Organ mit Hydrogelmonomeren wie Acrylamid und weiteren Chemikalien eingelegt. In diesem Schritt vernetzt Formaldehyd die Monomere durch feste chemische Bindungen mit Proteinen, Nukleinsäuren und verschiedenen kleinen Biomolekülen des Zellgewebes – nicht aber mit Lipiden. Anschließend wird das Präparat erhitzt, wodurch die Monomere zu einem harten Hydrogelnetz polymerisieren, das die Struktur des Gewebes exakt widerspiegelt. Im letzten Schritt werden dann die nicht gebundenen Lipide – und damit der Löwenanteil aller Licht blockierenden Bestandteile des Gewebes – schonend entfernt. Am Ende bleibt eine strukturell lebensechte, durchsichtige Hirnhydrogelstruktur, die verschiedenen Analysemethoden zugänglich ist.

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Vorher – nachher: Ein Hirn wird transparent | Ein Mäusegehirn wird durchsichtig: Forscher lassen dafür ein Hydrogelgerüst an und in den Zellen aushärten und entfernen schließlich alle Lipide. Der Ausspruch (etwa: "Das Gehirn besteht aus einer Reihe unentdeckter Kontinente und weiten, unerforschten Ländereien") stammt vom spanischen Neuroanatom Ramon y Cajal.

Der Clarity-Prozess kann zudem mit verschiedenen Fluoreszenz- und Immunmarkierungsverfahren kombiniert werden. So gelang es Deisseroth und Kollegen etwa, farbmarkierte Proteine in den Membranen des strukturell intakten Mausgehirns mit Mikroskopen aufzulösen und Feinstrukturen wie Synapsen mit dem Elektronenmikroskop zu kartieren. Nicht nur die subzellulären Details, sondern auch die weiter reichenden Projektionen einzelner Neurone, die Kontakte zwischen Zellen und die Vernetzung der Hirnzellen bleiben bei der Präparation erhalten. Dies gelang den Forscher sogar an einem fünf Jahre lang in Formaldehyd gelagerten menschlichen Hirn. Prinzipiell kann die Methode an beliebigen Organen eingesetzt werden, so Deisseroth: Sie "eignet sich für jedwedes biologisches System – es wird spannend sein, zu sehen, wie sie in anderen Themenfelder von Nutzen ist."

© Karl Deisseroth / Stanford University
Zoom ins Mäusehirn
Der Mikroskopkamerazoom in das transparente Hirnpräparat einer Maus macht die großen Strukturmerkmale der Nervenfasern ebenso deutlich wie die kleinsten zellulären Details. Ähnlich markierte Präparate waren bisher nur in Hirnschnitten möglich – die dann mühsam mit Computerhilfe zu dreidimensionalen Modellen zusammengebastelt werden mussten.
15. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 15. KW 2013

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