ADAPT: Adaptive und vorausschauende Arbiträr-Punktscannende Zweiphotonentomographie

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Karpf
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511288691

Multiphotonenmikroskopie (MPM) ist konkurrenzlos in optischer Intravitalbildgebung, da sie die Abbildung von Strukturen und Proteinen bei hoher optischer Eindringtiefe mit subzellulärer Auflösung und geringem Fotobleichen ermöglicht. Diese Vorteile und die Möglichkeit, genetisch kodierte Kalzium- und Spannungsindikatoren anzuregen, haben MPM zur Methode der Wahl für neuronale Bildgebung gemacht, um Gehirnfunktion zu entschlüsseln und neuronale Krankheiten zu verstehen. Optische Abtastung mit hoher Geschwindigkeit ist für Erfassung neuronaler Aktivität von größter Bedeutung, da die charakteristischen Zeitskalen für Aktionspotenziale bei Millisekunden liegen, während Ca-Transienten im Bereich von 100 ms korrelieren. Die derzeitigen Bildgebungstechnologien vereinen nicht in ausreichendem Maße schnelle Bildgebung mit volumetrischer Abtastung, was für ein Verständnis der inhärent dreidimensionalen neuronalen Schaltkreise wichtig ist. Mit diesem WEAVE-Projekt wollen wir die spektro-temporale Laserbildgebung durch diffraktive Anregung, die zuvor von einem Partner eingeführt wurde, weiterentwickeln und für Neurophotonik zuschneiden, indem wir: i) Eine Volumenerfassung von geschichteten neuronalen Strukturen (Kortex, Intestin) auf den inhärenten Zeitskalen ihrer funktionellen Prozesse (20Hz Volumenrate) ermöglichen; ii) Eine dezidierte Nahinfrarotlichtquelle entwickeln, um die hochentwickelte GCaMP-Familie von Fluoreszenzproteinen zu verwenden; iii) Die Signalausbeute analysieren und optimieren und die Probenschädigung durch Einführung schneller adaptiver Abtastprotokolle zu verringern; iv) Korrektur von Wellenfrontfehlern und Kompensation von Probenbewegungen durch den Einsatz nichtlinearer Leitsterne im Gewebe. Um diese Ziele zu erreichen, haben sich die ADAPT-Partner in einem synergetischen WEAVE-Konsortium mit dem Laserphysiker und Erfinder der spektro-temporalen Multiphotonen-Bildgebung Sebastian Karpf (GER) zusammengeschlossen, um ein volumetrisches Bildgebungssystem bei 940 nm zu bauen, das auf GFP-ähnliche Moleküle bei 20Hz Volumenraten abgestimmt ist; Luigi Bonacina (CH), Experte für Nanophotonik und nichtlineare Optik, wird die disruptive Technologie weiterentwickeln, quantifizieren und eine adaptive und zielgerichtete Abtastung erforschen, die die aktive Modulation der Quelle und arbiträre 3D-Abtastung ausnutzt. Darüber hinaus wird LB einen speziellen SHG-Detektionskanal einrichten, um einen nichtlinearen Leitstern für Wellenfrontverzerrungen und Probenbewegungen (Herzschlag, Atmung) einzusetzen. Schließlich wird der Neurophysiologie-Experte Pieter Vanden Berghe (BE) gemeinsam mit LB die Vorteile des Hochgeschwindigkeits-Scanning untersuchen, um die Signalausbeute und Probenschädigung im Vergleich zu modernen fs-Systemen zu quantifizieren, optimieren und zu untersuchen. PVB wird die ADAPT-Technologie auch auf Volumenbildgebung neuronaler Aktivität mit GCaMP anwenden, um derzeitige Grenzen der neuronalen Intravitalbildgebung zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Schweiz
• Großgeräte: Optischer Spektralanalysator im NIR
• Gerätegruppe: 1870 Optische Vielkanalspektrographen
• Partnerorganisation: Fonds Wetenschappelijk Onderzoek - Vlaanderen ; Research Foundation Flanders (FWO); Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Dr. Luigi Bonacina, Ph.D.; Professor Dr. Pieter Vanden Berghe