Konfokalmikroskopsystem mit Multiphotonenlaser
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Konfokalmikroskopsystem mit Multiphotonenlaser eröffnet vielseitige Anwendungen – von Fluoreszenzimaging in tiefen Gewebeschichten fixierter, aufgeklarter Ganzgehirne (Deep-Tissue Imaging) zu optophysiologischen Messungen im Lebendgehirn (Live-Imaging) bei Insekten. Die Vorzüge der zwei Konfigurationen – konfokale Messungen über Festkörperlaser sowie 2-Photonen Anregung mit dem Multiphotonenlaser (MP) – und Objektive mit großem Arbeitsabstand haben wir genutzt, um 3D-Bilderstapel statischer und dynamischer Fluoreszenzmessungen mit hoher Auflösung in Ganzgehirnen durchzuführen. Wir haben wichtige Ergebnisse in folgenden Forschungsschwerpunkten erzielt: I. 3D-Quantifizierung von Neuronen und Synapsen im Ganzgehirn: Die hohe Eindringtiefe des MP Lasers kombiniert mit konfokaler Anregung durch Festkörperlaser ermöglichte uns, die Anzahl von Neuronen und Synapsenkomplexen in Gehirnen von Insekten zu ermitteln. Fragestellungen reichen von arbeitsteiligen Anpassungen von Lern- und Gedächtniszentren (Pilzkörper) bei sozialen Insekten bis zu erfahrungs-, alters- und statusabhängiger Plastizität neuronaler Mikroschaltkreise: 3D-Analysen synaptischer Strukturplastizität in den Pilzkörpern zeigen eine deutlich frühere Reifung bei der primitiv eusozialen Erdhummel im Vergleich zur hoch eusozialen Honigbiene. - Die Anzahl intrinsischer Neuronen (Typen von Kenyonzellen) in den Pilzkörpern polymorpher Kasten von Blattschneiderameisen (Atta vollenweideri) unterscheidet sich signifikant. Kombiniert mit 3D Analysen von Synapsenkomplexen ergeben sich hieraus deutliche kastenabhängige Unterschiede in der Architektur der Pilzkörper Mikroschaltkreise. - Untersuchungen zur Strukturplastizität ergaben statusabhängige Unterschiede in olfaktorischen und visuellen Gehirnzentren von Blattläusen. - 3D-Analysen neuronaler Mikroschaltkreise verschieden alter Honigbienen Königinnen zeigen aufgabenabhängige Veränderungen von Synapsenkomplexen in multisensorischen Verarbeitungszentren. II. 3D-Atlas von Gehirnen zur Kartierung von Neuropilen und Trakten: Mittels Kombinationen des MP Lasers, konfokaler Anregung sowie empfindlichen Detektoren haben wir Ganzgehirnscans angefertigt und detaillierte 3D-Modelle von Gehirnen sozialer Insekten generiert. Strukturen wurden mittels immuncytochemischer Markierung von Synapsenproteinen, neuronalen Tracerinjektionen sowie f-Aktin-Phalloidin Doppelfärbungen visualisiert. Mit der Tile-Scan Funktion haben wir hochaufgelöste Bilderstapel erfasst, die mit 3D-Software bearbeitet wurden. Zwei dieser Gehirnatlasprojekte sind kurz vor der Fertigstellung: 3D-Gehirnatlas der Wüstenameise, Cataglyphis nodus. Wir konnten 36 individuelle Neuropile und 28 Neuropil-verbindende Traktsysteme identifizieren, die wir mit dem 3D Gehirn der Taufliege (Drosophila) vergleichen. - Die Fertigstellung des 3D-Gehirnatlas der Erdhummel, Bombus terrestris ist ebenfalls bereits weit vorangeschritten. III. Live-Calcium-Imaging in neuronalen Verarbeitungszentren sich verhaltender Insekten: Mittels Anregung mit dem MP Laser, schneller Scanfunktion und empfindlicher Detektoren konnten wir erstmals optophysiologische Messungen zur neuronalen Prozessierung visueller Stimuli im Gehirn sich verhaltender Honigbienen messen. Im Projekt zur neuronalen Verarbeitung von Himmelskompassinformation kooperieren wir mit Wissenschaftlern des HHMI Janelia Research Campus, USA. Eine 360° LED Arena mit Controllern, Tracking Kamera, Laufkugel sowie Präparatehalterungen wurden entwickelt und flexibel in den Fixed-Stage Aufbau des Mikroskops integriert. Live-Calcium-Imaging Messungen im Gehirn von Bienen auf einer Laufkugel sind bereits erfolgreich. Dieser Aufbau wird zukünftig auch für weitere Spezies wie Wüstenameise, Hummel u.a. genutzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2019) Neuronal Plasticity in the Mushroom-Body Calyx of Bumble Bee Workers During Early Adult Development. Developmental neurobiology 79 (4) 287–302
Kraft, Nadine; Spaethe, Johannes; Rössler, Wolfgang; Groh, Claudia
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/dneu.22678) - Distributed plasticity in ant visual pathways following colour learning. Proceedings Royal Society B 286: 20182813
Yilmaz, Grübel, Spaethe and Rössler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1098/rspb.2018.2813) - (2019) Learning to navigate – how desert ants calibrate their compass systems. Neuroforum vol:2019, issue 2
Grob, Fleischmann and Rössler
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/nf-2018-0011)
