Multiphotonenmikroskopie des Bienengehirns: Zeitlich und räumlich hoch auflösende Analyse neuronaler Konnektivität und neuronaler Aktivität im lebenden Gehirn der Honigbiene

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Optische Messungen der neuronalen Aktivität revolutionieren die messtechnischen Zugänge in den Neurowissenschaften. Eine besondere Rolle hierbei spielt die Mehrphotonenmikroskopie (two-photon laser scanning microscopy, TPLSM). Mit ihr gelingt es, mit hoher räumlicher Auflösung Fluoreszenzsignale auch aus der Tiefe des lebenden Gehirns zu registrieren, weil die langwellige Strahlung gut in das Gewebe eindringt und die Mehrphotonenabsorption eine hervorragende Trennung insbesondere in der z-Richtung erlaubt (nicht lineare Absorption). Obwohl es seit einigen Jahren kommerzielle Geräte der TPLSM gibt, gilt es, diesen methodischen Zugang von den physikalischen Grundlagen her weiter zu entwickeln und zu optimieren. In der Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Wöste im Physik-Department der Freien Universität Berlin soll die TPLSM an einem konkreten neurowissenschaftlichen Problem, der olfaktorischen Codierung im Gehirn der Honigbiene, angewandt und weiterentwickelt werden. Dazu werden die optischen Anlagen des physikalischen Instituts (Arbeitsgruppe Prof. Wöste) genutzt, um kurze LaserPulse (kleiner .5 ps) mit hoher Wiederholungsrate (70 MHz) und hoher Strahlungsdichte im nahen Infrarot zu erzeugen und zu modulieren. Die Fluoreszenz von Farbstoffen in identifizierten Neuronen des olfaktorischen Systems der Honigbiene und ihre Ca-Abhängigkeit werden in einem Ganztierpräparat unter Bedingungen gemessen, in denen die Tiere in der Lage sind, Düfte wahrzunehmen und zu unterscheiden. Folgende Vorteile der TPLSM sollen für die neuronale Analyse genutzt werden: 1. die hohe Eindringtiefe und geringe Abhängigkeit von Streulicht im lebenden Gehirn (alle Glomeruli des Antennallobus sollen anatomisch und funktionell vermessen werden); 2. die hervorragende räumliche Auflösung (zur Analyse der Erregungsbildung und -ausbreitung in den Dendriten und Axonen einzelner olfaktorischer Neurone sowie das Auslösen lokaler Erregung in einzeln gefärbten Neuronen, um eine Netzwerkanalyse zu betreiben).