Entwicklung eines am Kopf montierten Miniskops zur simultanen volumetrischen Mikroskopie und optogenetischen Stimulation bei frei beweglichen Nagetieren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Caglar Ataman; Professorin Dr. Marlene Bartos; Professorin Dr. Ilka Diester
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555645878

Jüngste Fortschritte in der Tiefenhirnbildgebung und gezielte neuronale Stimulationstechniken haben beispiellose Einblicke in das Innenleben des Säugetiergehirns ermöglicht. Ein entscheidender Durchbruch war dabei die Zwei-Photone-Mikroskopie, welche mit ihrer Fähigkeit, bis zu 700 µm tief in das Hirngewebe einzudringen und spezifische neuronaler Aktivitäten durch die Darstellung kalziumabhängiger neuronaler Funktionsmarker zu visualisieren, unverzichtbar für die Entschlüsselung lokaler neuronaler Netze geworden ist. Die Optogenetik wiederum ist eine auf lichtempfindlichen Membranproteinen basierende neuronale Manipulationstechnik, die es erlaubt, genetisch veränderte Zellen durch Licht bestimmter Wellenlängen selektiv zu aktivieren oder zu hemmen. Die Einführung der holographischen Stimulation ermöglichte dabei erstmals die Aktivierung von bis zu 100 ausgewählten Neuronen gleichzeitig oder in vordefinierten zeitlichen Abfolgen. Sowohl die 2P-Mikroskopie als auch die 3D optogenetische Stimulation basieren derzeit jedoch auf komplexen und unhandlichen Mikroskopieaufbauten, die auf fixierte Tiere angewiesen sind, was die Beobachtung und Kontrolle des Tierverhaltens in einer Vielzahl von Szenarien erschwert. Im Rahmen des Projekts 2PMOS soll ein innovatives Funktionsmikroskop entwickelt werden, das am Kopf eines Nagetiers befestigt werden. Das kopfgetragene Mikroskop 2PMOS bietet zwei bahnbrechende Funktionen, die durch neue Methoden der Mikrosystemtechnik aus der multimodalen Endomikroskopie ermöglicht werden. Die erste ist die Fähigkeit zur gleichzeitigen volumetrischen 2P-Bildgebung und optogenetischen 2P-Stimulation der neuronalen Aktivität in den kortikalen Schichten. Diese einzigartige Kombination wird es den Neurowissenschaften ermöglichen, die komplexen neuronalen Prozesse innerhalb der kortikalen Schichten zu untersuchen und gleichzeitig eine präzise Kontrolle über die neuronalen Reaktionen auszuüben. 2PMOS wird außerdem eine bisher unerreichte Eindringtiefe für 2P-Mikroskopie bieten und die Visualisierung tiefer neuronaler Aktivität im Hippocampus ermöglichen, was bisher bei frei beweglichen Tieren nicht möglich war. Wir werden die notwendige Hard- und Software-Infrastruktur für den Betrieb des Instruments aufbauen und eine Reihe von Tierstudien durchführen, um die Funktionalität und das Potential zu validieren. Damit können zentrale neurowissenschaftliche Fragen zu Lern- und Gedächtnisprozessen beantwortet werden: 1. Können lernbedingte Gedächtnisspuren bei kopffixierten und frei beweglichen Tieren verglichen werden? 2. Unterscheidet sich die neuronale Aktivität zwischen beiden Bedingungen? 3. Können Tiere gelernte Informationen von einer Bedingung auf die andere übertragen? 4. Verändert eine exzessive Exposition in virtuellen Umgebungen die neuronale Aktivität im Vergleich zu realen Umgebungen? Insbesondere die letzte Frage ist angesichts der zunehmenden Nutzung virtueller Realitäten von großer gesellschaftlicher Relevanz.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung