Neue Technik überwindet technologische Barrieren bei der 3D-Bildgebung des Gehirns

Neue Technik überwindet technologische Barrieren bei der 3D-Bildgebung des Gehirns

Wissenschaftlern der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS ist es gelungen, mithilfe von Röntgenstrahlen zerstörungsfrei ein Stück Hirngewebe in 3D mit bisher unerreichter Auflösung abzubilden. Der Durchbruch überwindet eine seit langem bestehende technologische Hürde, die den Einsatz von Röntgenstrahlen für solche Studien eingeschränkt hatte.

Nachdem das SLS-Upgrade nun abgeschlossen ist, ist der Weg frei, viel größere Hirngewebeproben mit hoher Auflösung abzubilden – und ein neues Verständnis seiner komplexen Architektur zu gewinnen. Die Studie, eine Zusammenarbeit zwischen dem PSI und dem Francis Crick Institute im Vereinigten Königreich, wurde in veröffentlicht Naturmethoden.

Das Gehirn ist eines der komplexesten biologischen Systeme der Welt.“

Adrian Wanner, Gruppenleiter, Forschungsgruppe Strukturelle Neurobiologie, Paul Scherrer Institut PSI

Wie Neuronen miteinander verbunden sind, versucht seine Gruppe zu entschlüsseln – ein Gebiet, das als Connectomics bekannt ist.

Er erklärte: „Nehmen Sie die Leber: Wir kennen etwa 40 Zelltypen. Wir wissen, wie sie angeordnet sind. Wir kennen ihre Funktionen. Das gilt nicht für das Gehirn. Und so könnte man fragen: Was ist der Unterschied zwischen dem Gehirn und der Leber? Wenn wir einen Zellkörper im Gehirn und in der Leber betrachten, ist es nicht einfach, die beiden zu unterscheiden. Sie haben beide einen Zellkern, ein endoplasmatisches Retikulum – sie haben beide die gleiche interzelluläre Maschinerie, die gleichen Moleküle, die gleichen Arten von.“ Der Unterschied besteht nicht darin, wie die Gehirnzellen organisiert und verbunden sind.

Sprechen wir über Zahlen: In einem Kubikmillimeter Gehirngewebe befinden sich etwa 100.000 Neuronen, die durch etwa 700 Millionen Synapsen und 4 Kilometer „Verkabelung“ verbunden sind.

Wie diese Neuronen über Synapsen miteinander verbunden sind, bestimmt, wie das Gehirn funktioniert. Es wird mit Krankheiten wie Alzheimer in Verbindung gebracht. Dennoch ist die Komplexität dieser Verkabelung in drei Dimensionen außerordentlich schwer zu untersuchen. „Wenn man ein neuronales Netzwerk mit 17 Neuronen nimmt, gibt es mehr Möglichkeiten, diese zu verbinden als Atome im Universum“, sagt Wanner. „Man kann also nicht einfach versuchen, es zu modellieren.“ Wir müssen es messen.

Vor dem Hintergrund dieses immensen Problems steht ein großer technologischer Fortschritt von Wanner und Kollegen an der Swiss Light Source SLS – in Zusammenarbeit mit dem Francis Crick Institute im Vereinigten Königreich.

Röntgenstrahlen blicken in die Ultrastruktur

Die derzeit am häufigsten verwendete Technik für diese Art der Bildgebung ist die Volumenelektronenmikroskopie. Da Elektronen nur flach eindringen, müssen Kubikmillimeter Gehirngewebe in Zehntausende ultradünne Abschnitte geschnitten werden. Diese werden dann einzeln abgebildet und rechnerisch rekonstruiert, um die 3D-Konnektivität der Neuronen durch die Schnitte abzubilden – ein Prozess, der sehr fehleranfällig ist und unweigerlich zu Informationsverlusten führt.

Eine Lösung liegt in Röntgenstrahlen. Diese können Millimeter – oder sogar Zentimeter – durchdringen und könnten so im Prinzip Stücke von Hirngewebe abbilden, ohne sie zu schneiden.

An der kohärenten Kleinwinkel-Röntgenstreustrahllinie der SLS, kurz cSAXS genannt, ist es dank hochbrillanter Röntgenstrahlen gelungen, Computerchips mit einer Auflösung von nur 4 Nanometern abzubilden – ein Weltrekord. „Aber bei biologischen Geweben liegt das Problem im Kontrast“, erklärt Ana Diaz, Wissenschaftlerin am cSAXS. „Computerchips bestehen aus Kupferdrähten, die von Natur aus einen starken Kontrast zu ihrem Einbettungsmaterial aufweisen. Wenn wir die Bausteine ​​des Lebens – Proteine, Lipide usw. – gegen eine von Wasser dominierte Matrix haben, ist die Röntgenwechselwirkung sehr schwach und es ist schwieriger, eine hohe Auflösung zu erreichen.“

Um diese Herausforderungen des Kontrasts zu meistern, färben Wissenschaftler das Gehirngewebe mit Schwermetallen. Diese absorbieren jedoch die Röntgenstrahlung, was zu einem weiteren Problem führt: Die Probe verformt sich. Einbettungsmaterialien können die Probe stabilisieren – aber auch diese weisen die gleichen Probleme auf, dass sie sich in Gegenwart von Röntgenstrahlen verformen, Blasen bilden und die feine Ultrastruktur des Gehirngewebes zerstören.

Ein Harz für die Luft- und Raumfahrtindustrie

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Wanner, Diaz und Kollegen einen neuen Ansatz. Die Hauptentwicklung ist ein Epoxidharz, das weiterhin in das biologische Gewebe eindringen kann und gleichzeitig eine außergewöhnliche Strahlungstoleranz bietet – ein Material, das üblicherweise in der Luft- und Raumfahrt- und Nuklearindustrie sowie in Teilchenbeschleunigern verwendet wird.

Sie ergänzen dies durch einen speziell entwickelten Tisch, der es ihnen ermöglicht, die Proben abzubilden, während sie mit flüssigem Stickstoff auf -178 Grad Celsius gekühlt werden. Schließlich kompensiert ein Rekonstruktionsalgorithmus die noch auftretenden geringen Verformungen.

Mit diesem Ansatz konnten die Forscher bis zu 10 Mikrometer dicke Stücke Gehirngewebe von Mäusen untersuchen und dabei eine Auflösung von 38 Nanometern in drei Dimensionen erreichen. „Wir glauben, dass dies eine Rekordauflösung bei der Röntgenbildgebung an einem ausgedehnten biologischen Gewebe darstellt“, sagt Diaz.

Mit dieser Auflösung konnten sie Synapsen und andere Merkmale der Neuronen und ihrer Verbindungen, wie Axone und Dendriten, zuverlässig identifizieren. „Das sind keine bahnbrechenden Informationen über das Gehirn: Sie entsprechen den besten Ergebnissen mit modernster Volumenelektronenmikroskopie – dem aktuellen Goldstandard“, fügt Wanner hinzu. „Das Spannende ist, dass dies den Beginn dessen markiert, was noch kommt.“

Kohärente Röntgenstrahlen werden mit SLS-Upgrade auf Hochtouren gebracht

Obwohl ein 10 Mikrometer dickes Stück Hirngewebe immer noch winzig klingt, ist es bereits um Größenordnungen dicker als die mit Elektronenmikroskopie untersuchten Splitter. Ein limitierender Faktor für die Stichprobengröße ist derzeit die Aufnahmezeit: Es kann Tage dauern, genügend Daten zu sammeln, um ein hochauflösendes Bild zu rekonstruieren. Dieser Engpass hängt mit den Röntgenstrahlen zusammen.

Die Forscher verwenden eine Technik namens Ptychographie – eine Art der Bildgebung, die keine Linsen verwendet, sondern auf kohärenten Röntgenstrahlen beruht. „Genau die Kohärenz ist der Punkt, an dem wir mit dem SLS-Upgrade gewinnen werden“, sagt Diaz.

Die SLS hat gerade eine umfassende Modernisierung zum Synchrotron der 4. Generation abgeschlossen – dem fortschrittlichsten Synchrotrontyp der Welt. Die technologischen Verbesserungen bedeuten, dass Ptychographie-Experimente an der cSAXS-Beamline von einem bis zu hundertmal höheren Fluss kohärenter Röntgenstrahlen profitieren werden.

„Wenn pro Sekunde hundertmal mehr Röntgenphotonen auf unsere Probe treffen, können wir im Prinzip entweder die Probe hundertmal schneller abbilden oder hundertmal größere Volumina abbilden“, erklärt Diaz. „In der Praxis müssen wir lernen, wie wir das effizient umsetzen können. Aber das Potenzial ist da.“

Die Veröffentlichung fällt mit einem wichtigen Meilenstein an der Strahllinie zusammen: Im Juli 2025 wurden nach der Modernisierung die ersten Röntgenstrahlen am cSAXS gesehen. Da nun die technischen Hürden für den Einsatz der Röntgen-Ptychographie zur biologischen Bildgebung überwunden sind, steht der Weg frei für die Untersuchung viel größerer Hirngewebeproben in 3D und mit hoher Auflösung.

Quellen: