Entwicklung von schnellstem Multiphotonen Mikroskop zur in vivo Bildgebung von Aktivität in neuronalen Netzwerken

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Karpf
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286484220

Zwei-Photonen Mikroskopie (TPM) ermöglicht hochauflösende 3-D Bildgebung und findet bereits breiten Einsatz bei der Erforschung von degenerativen Krankheiten im Gehirn wie Alzheimer und Demenz. Hierbei wäre es wichtig, die neuronale Aktivität und krankheitsbedingte Veränderungen ganzer, großflächiger neuronaler Netzwerke mit systemrelevanter Zeitauflösung zu untersuchen. Hier findet die synaptische Informationsweiterleitung auf Millisekunden bis sub-Millisekunden Zeitauflösung statt. Diese Bildwiederholungsraten im kHz-Bereich wurden mit Ein-Photonenfluoreszenzmikroskopie bereits in der Gruppe von Prof. Jalali (FIRE-Mikroskop) gezeigt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, diese Geschwindigkeit auch mit TPM zu erreichen, wobei wesentlich höhere Eindringtiefen und stark verbesserte axiale Auflösung erreicht werden. Durch schnelle Laser und zeitkodierte Bildaufnahme werden Pixelraten bis zu 100 MHz und damit Bildraten von 1.5 kHz bei 256x256 Pixeln erreicht. Um dies zu erreichen, sollen fortschrittliche Modulationsverfahren entwickelt und die Zwei-Photonen Signale mit hochsensitiven Photomultipliern (PMT) detektiert werden. PMTs besitzen sub-ns Zeitauflösung und wären damit prinzipiell auch geeignet parallel Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung (FLIM) aufzunehmen und damit auch hier um Größenordnungen höhere Geschwindigkeit zu erzielen. Solch ein multi-modales Mikroskop wäre mehr als 10-mal schneller als bisherige TPM und könnte damit tieferen Einblick in schnellablaufende biologische Abläufe liefern und die Entwicklung neuer bildgebender Systeme vorantreiben. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es ein solches TPM zu entwickeln und zur Bildgebung an neuronalen Netzwerken in vivo mit Axon-relevanter Zeitauflösung anzuwenden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Bahram Jalali, Ph.D.