Hochauflösende optische Messung der Aktivität einzelner Neurone innerhalb einer Population mithilfe der Fluoreszenz von Stickstoff-Leerstelle-Defektzentren in Nanodiamanten

• Antragstellerin: Dr. Dominika Lyzwa
• Fachliche Zuordnung: Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327306593

Wie das menschliche Gehirn funktioniert ist eines der größten Rätseldes 21. Jahrhunderts und es wird viel investiert um unser Wissenüber dieses hochkomplexe System zu erweitern. DieInformationsverarbeitung in einem neuronalen Netzwerk zuuntersuchen ist ein entscheidender Schritt zur Beantwortung dieserFrage. Wie Neurone eines Netzwerkes zusammenarbeiten umInformationen zu verarbeiten und welche Rolle die Korrelationen ihrerAktivität für die Enkodierung von sensorischen Informationen spielenist bisher nicht geklärt. Um die Darstellung und Weitergabe derInformation durch ein Netzwerk zu untersuchen, müssen dieAntworten der beteiligten Neurone, die Aktionspotentiale, gleichzeitiggemessen werden. Es fehlen jedoch entsprechende optischeMethoden um die Aktivität mehrerer einzelner Neurone, mit genügendhoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Echzeit zu messen.Solche hochauflösenden Mess- und Abbildungsmethoden sind auchfür die Zellbiologie, biomedizinische Anwendungen undKrebsforschung von Interesse. In diesem Projekt am Massachusetts Institute of Technology werden in einem interdisziplinären AnsatzMethoden zum hochauflösenden optischen Messen und Abbildenneuronaler Aktivität erarbeitet. Es werden Methoden entwickelt umoptisch mit Hilfe von Stickstoff-Leerzelle-Zentren in Nanodiamantenzelluläre Aktivitäten anhand von Relaxationszeiten zu messen. DerElektronspin der Defektzentren wird durch Laserlicht experimentelladressiert und ausgelesen. Stickstoff-Leerstelle-Farbzentren(nitrogen-vacancy, NV) sind kristallographische Defekte imDiamantgitter. Die Fluoreszenz dieser Farbzentren ändert sich, wenneine externe Magnetfeldänderung auftritt. Diese Eigenschaft und dieZellkompatibilität von Nanodiamanten, sowie die lange Kohärenzzeitdes NV-Spin Triplett Zustands, hohe Photostabilität und Helligkeit,machen sie zu außergewöhnlichen Nano-Sonden in lebendenOrganismen. Zusätzlich wird Phasenmikroskopie verwendet umAktionspotentiale kultivierter Neuronen nicht-invasiv, hochaufgelöstoptisch zu messen. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Aktionspotential,die schnelle Änderung des Membranpotentials, zu messbarenFluktuationen der Zellmembran und Änderung des Brechungsindexder Zelle führt. Aufgrund meines wissenschaftlichen Hintergrundessowohl in experimenteller Physik als auch in computergestützterNeurowissenschaft glaube ich eine ideale Kandidatin für diesesForschungsvorhaben zu sein.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Peter So, Ph.D.