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

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Wie das menschliche Gehirn funktioniert ist eines der größten Rätsel des 21. Jahrhunderts und es wird viel investiert um unser Wissen über dieses hochkomplexe System zu erweitern. Die Informationsverarbeitung in einem neuronalen Netzwerk zu untersuchen ist ein entscheidender Schritt zur Beantwortung dieser Frage. Wie Neurone eines Netzwerkes zusammenarbeiten um Informationen zu verarbeiten und welche Rolle die Korrelationen ihrer Aktivität für die Enkodierung von sensorischen Informationen spielen, ist bisher nicht geklärt. Um die Darstellung und Weitergabe der Information durch ein Netzwerk zu untersuchen, müssen die Antworten der beteiligten Neuronen, die Aktionspotentiale, gleichzeitig gemessen werden. Es fehlen jedoch entsprechende optische Methoden, um die Aktivität mehrerer einzelner Neurone, mit genügend hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Echtzeit zu messen. Solche hochauflösenden Mess- und Abbildungsmethoden sind auch für die Zellbiologie, biomedizinische Anwendungen und Krebsforschung von Interesse. In diesem Projekt am Massachusetts Institute of Technology wurden in einem interdisziplinären Ansatz Methoden zum hochauflösenden optischen Messen und Abbilden neuronaler Aktivität erarbeitet. Ein hochsensitives Phasenmikroskop wurde entwickelt für Anwendungen um Aktionspotentiale kultivierter Neuronen nicht-invasiv, hochaufgelöst optisch zu messen. Dabei wird genutzt, dass ein Aktionspotential, die schnelle Änderung des Membranpotentials, zu messbaren Fluktuationen der Zellmembran führt. Es hat sich eine Zusammenarbeit zu phasenverändernden Metalinsen ergeben, welche erfolgreich war und viel Aufmerksamkeit in den MIT News und anderen Medien bekommen hat. Es wurden Methoden entwickelt um optisch mit Hilfe von Stickstoff-Leerzelle-Zentren in Nanodiamanten zelluläre Aktivitäten anhand von Relaxationszeiten zu messen. Der Elektronenspin der Defektzentren wurde durch Laserlicht experimentell adressiert und ausgelesen. Die Fluoreszenz ändert sich, wenn eine externe Magnetfeldänderung auftritt. Diese Eigenschaft und die Zellkompatibilität von Nanodiamanten, hohe Photostabilität und Helligkeit, machen sie zu außergewöhnlichen Nano-Sonden in lebenden Organismen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• All-Optical Quantum Sensing of Rotational Brownian Motion of Magnetic Molecules. Nano Letters, 19(10), 7342-7348.
  Li, Changhao; Chen, Mo; Lyzwa, Dominika & Cappellaro, Paola
  
• ‘Mechanical driving of nitrogen-vacancy centers in diamond’, Vortrag, APS Frühjahrstagung, Boston, MA, USA, 2019
  Lyzwa, D. & Cappellaro, P.
  
• ‘Optical sensing of biological processes with nitrogen vacancy centers in nanodiamonds’, APS Frühjahrstagung, Boston, MA, USA, 2019
  Li, C.; Lyzwa, D.; Kohandel, M. & Cappellaro, P.
  
• High-Sensitivity Phase Microscopy for Neural Activity. Biophotonics Congress: Biomedical Optics 2020 (Translational, Microscopy, OCT, OTS, BRAIN), 218(2020),BW4C.8. Optica Publishing Group.
  Lyzwa, Dominika; Singh, Vijay; Yaqoob, Zahid & So, Peter T.C.
  
• Single-Element Diffraction-Limited Fisheye Metalens. Nano Letters, 20(10), 7429-7437.
  Shalaginov, Mikhail Y.; An, Sensong; Yang, Fan; Su, Peter; Lyzwa, Dominika; Agarwal, Anuradha M.; Zhang, Hualiang; Hu, Juejun & Gu, Tian
  
• Transform-Limited Photons From a Coherent Tin-Vacancy Spin in Diamond. Physical Review Letters, 124(2).
  Trusheim, Matthew E.; Pingault, Benjamin; Wan, Noel H.; Gündoğan, Mustafa; De Santis, Lorenzo; Debroux, Romain; Gangloff, Dorian; Purser, Carola; Chen, Kevin C.; Walsh, Michael; Rose, Joshua J.; Becker, Jonas N.; Lienhard, Benjamin; Bersin, Eric; Paradeisanos, Ioannis; Wang, Gang; Lyzwa, Dominika; Montblanch, Alejandro R-P.; Malladi, Girish; ... & Englund, Dirk
  
• ‘Towards high-sensitivity phase cancellation microscopy’, Vortrag, American Physical Society Frühjahrstagung (APS), Denver, CO, USA, 2020.
  Lyzwa, D.; V.Singh; Yaqoob, Z. & P. T.C. So
  
• ‘Framework for identifying 3d neural firing’, American Physical Society Frühjahrstagung (APS), USA, 2022
  Lyzwa, D.
  
• ‘Phase Cancellation Microscopy’, US11255656B2, Patentnummer: 11255656 patent-Link
  Peter T. C. So; Yaqoob, Zahid; Lyzwa, Dominika; Singh, Vijay & Wadduwage, Dushan N.