Effiziente volumetrische Bildgebung mit großem Sichtfeld mittels slanted grating oblique plane microscopy (sgOPM)

• Antragsteller: Professor Benjamin Judkewitz, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 581568557

Die hochauflösende volumetrische Bildgebung neuronaler Aktivität über große Sichtfelder (FOV) ist ein entscheidender technologischer Meilenstein für das Verständnis der Funktion des Wirbeltiergehirns. Sie stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar, da die aktuell verfügbaren Mikroskopietechniken inhärente Beschränkungen aufweisen. Konventionelle Verfahren wie die Zwei-Photonen-Mikroskopie liefern exzellente räumliche Auflösung, werden aber durch langsame Abtastraten ausgebremst, die großflächige volumetrische Bildgebung ausschließen. Die Oblique-Plane-Mikroskopie (OPM) hingegen erreicht zwar hohe Volumenraten, steht jedoch vor einem grundsätzlichen Kompromiss zwischen Lichteffizienz, Sichtfeld und Auflösung – was hochauflösende Aufnahmen jenseits von etwa 1 mm FOV nahezu unmöglich macht. Dies eröffnet eine kritische Lücke: Gegenwärtige volumetrische Bildgebungsverfahren können nicht gleichzeitig hohe Auflösung, großes Sichtfeld und ausreichende Lichtausbeute realisieren. Folglich existiert bislang keine Lösung, die lichtökonomische, schnelle und hochauflösende Abbildungen ganzer Gehirne in adulten Wirbeltieren in vivo ermöglicht. Um diese Beschränkung zu überwinden, bedarf es einer neuen optischen Strategie. Wie im Antrag skizziert, machen schräg geneigte Transmissiongitter (slanted gratings) die Kombination von hoher Auflösung, weitem FOV und hoher Lichteffizienz in der volumetrischen Mikroskopie möglich. Unsere vorläufigen Daten, darunter numerische Simulationen und Versuche zur Ganzhirnabbildung im adulten Fisch Danionella cerebrum, deuten darauf hin, dass Beugungseffizienzen von über 80 % erreichbar sind – ein Faktor von fünf- bis zehnfach höher als bei Alternativen. Zusammenfassend zielt dieser Antrag darauf ab, ein volumetrisches Mikroskopiesystem zu entwickeln, das das gesamte Gehirn kleiner Wirbeltiere mit zellulärer Auflösung, hoher Geschwindigkeit und minimalem Lichtverlust abbilden kann. Ein solches Instrument würde neue Wege in der funktionellen Bildgebung von Gehirnen eröffnen und detaillierte Untersuchungen neuronaler Dynamiken über gehirnweite Netzwerke erlauben.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung