In vivo Zwei-Photonen-Mikroskop mit Modul für holographische optogenetische Stimulation

• Fachliche Zuordnung: Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571197315

Das beantragte Zwei-Photonen-Mikroskop hat ein erweitertes Objektfeld im Vergleich zum Standard und verfügt über einen Resonanzscanner und eine elektrisch einstellbare Linse für schnelle volumetrische Bildgebung sowie ein holographisches Beleuchtungsmodul für Optogenetik. Es wird für in vivo Imaging und optogenetische Manipulation neuronaler Aktivität in Mäusen, in Drosophila und in humanen 3D Zellkulturen zum Einsatz kommen. Das beantrage Zwei-Photonen-Mikroskop stellt einen zentralen Teil meiner Laborausstattung im Rahmen meiner Berufung an die RPTU Kaiserslautern dar. Meine Arbeitsgruppe befasst sich mit Grundlagenforschung über die Signalverarbeitung im visuellen und auditorischen Cortex und mit translationaler Forschung über die neurobiologischen Ursachen psychiatrischer Erkrankungen. Unsere grundlegende Fragestellung ist, wie sich Hirnfunktionen und Fehlfunktionen aus synaptischer und zellulärer Physiologie sowie neuronaler Schaltkreisorganisation ableiten. Unser Forschungsansatz ist eine skalenübergreifende Analyse der verschiedenen Ebenen neuronaler Organisation vom Molekül über Synapsen, Nervenzellen, dem neuronalen Schaltkreis bis hin zur Hirnfunktion. Dabei ist unsere zentrale Methode im Mausmodell, zuerst die Aktivität von Neuronen in vivo während des Verhaltens oder bei sensorischer Stimulation aufzuzeichnen und nachfolgend an denselben Neuronen in Hirnschnitten synaptische und zelluläre Physiologie sowie neuronale Schaltkreisorganisation zu untersuchen. Für die Messung neuronaler Aktivität in vivo ist schnelles Imaging mit großem Objektfeld über mehrere Fokusebenen hinweg von großer Bedeutung, um simultan eine große Zahl von Neuronen im Cortex einzuschließen, deren Populationsdynamik mit dem Verhalten des Tieres korreliert, und um Neurone mit Aktivitätsanomalien zu identifizieren. Um zukünftig unsere Ergebnisse aus den korrelativen Messungen auf ihre Kausalität zu überprüfen und zu validieren, wird das holographische Beleuchtungsmodul benötigt, welches eine gezielte optogenetische Manipulation definierter Neuronengruppen zum Überprüfen der Kausalität zwischen Aktivitätsmustern und Verhalten erlaubt. Neben Mausmodellen kommen humane Neuronenkulturen basierend auf induzierten pluripotenten Stammzellen von Psychiatriepatienten und gesunden Probanden zum Einsatz. Ähnlich wie im Mausmodell ist schnelles volumetrisches Imaging nötig, um in humanen 3D Neuronenkulturen Aktivitätsanomalien aufzuspüren und nachfolgend die Ursachen auf synaptischer, zellulärer und neuronaler Schaltkreis-Ebene zu untersuchen und diese letztendlich mit den Symptomen und der genetischen und klinischen Diagnose der Patienten zu korrelieren. Am Standort gibt es kein Mikroskop, mit dem diese Untersuchungen durchgeführt werden können. Mit dem beantragten Zwei-Photonen-Mikroskop inklusive dem holographischen Beleuchtungsmodul werden wir die Forschungsarbeit in meiner AG an der RPTU Kaiserslautern erfolgreich fortsetzen und zukunftsweisend weiterentwickeln können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: In vivo Zwei-Photonen-Mikroskop mit Modul für holographische optogenetische Stimulation
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope
• Antragstellende Institution: Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
• Leiter: Professor Dr. Volker Scheuss