Feinste Strukturen des Gehirns aufzudecken, um seine Funktionsweise zu enträtseln - diesem Ziel sind Forscher um Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Mit der von Hell entwickelten STED-Mikroskopie ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, scharfe Live-Bilder aus dem Gehirn einer lebenden Maus aufzunehmen.APAweb Feinste Strukturen des Gehirns aufzudecken, um seine Funktionsweise zu enträtseln - diesem Ziel sind Forscher um Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Mit der von Hell entwickelten STED-Mikroskopie ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, scharfe Live-Bilder aus dem Gehirn einer lebenden Maus aufzunehmen.APAweb

Wien/Klosterneuburg. Nicht weniger als eine Revolution in der Lichtmikroskopie hat der deutsche Physiker Stefan Hell eingeläutet, als er in den 1990er Jahren die zuvor als unüberwindbar geltende Beugungsgrenze des Lichts gewissermaßen überlistete und damit ungeahnte Einblicke in den Nano-Kosmos von lebenden Zellen ermöglichte. "Als ich die Idee dazu hatte, war das schon ein Heureka-Moment", sagte der Direktor des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen, der heute, Donnerstagabend, einen Vortrag am Institute of Science and Technology (IST) Austria hält.

  Hell nutzte für seinen Trick das Phänomen der Fluoreszenz aus, das Biologen dazu verwenden, winzig kleine Strukturen unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. Dabei schicken sie einen Lichtstrahl auf Proteine und Zellen, die zuvor mit Markermolekülen präpariert wurden. Das Licht regt die Markermoleküle an, die daraufhin farbig glimmen. Liegen jedoch zwei Strukturen näher als die halbe Wellenlänge des Lichts (200 Nanometer) beieinander, ist der Strahl wegen der Beugung durch die Linse zu breit, um sie einzeln abzutasten und sie verschwimmen unter dem Mikroskop zu einem Klecks.

 
Barrieren überwinden
Hell, der sich während seines Physikstudiums in Heidelberg nur indirekt mit Mikroskopen beschäftigte, wollte diese von Ernst Abbe 1873 beschriebene Beugungsgrenze nicht unhinterfragt hinnehmen. "Ich habe das Gefühl entwickelt, dass die Leute bei der Auflösung nicht zu Ende gedacht haben", erklärte der aus Rumänien stammende Forscher seinen Ansporn, diese Barriere in Angriff zu nehmen. Er schaffte das schließlich, indem er Licht mit Licht ausmachte. Das Verfahren nannte er STED (Stimulated Emitted Depletion).

  Dabei wird dem ersten, die Markermoleküle anregenden Lichtstrahl ein zweiter, ringförmiger hinterhergeschickt. Dieser "Donut"-Strahl schaltet die zuvor angeregten Moleküle wieder aus, sodass nur in der Mitte des Rings ein winziger, sichtbarer Bereich übrigbleibt, der viel schärfer erscheint als bis dahin möglich. So kann man über einen elektronischen Detektor zuerst das eine, dann das andere Objekt aufnehmen und anschließend im Computer zu einem Bild zusammensetzen. In den meisten Fällen ließen sich laut Hell dadurch bereits Auflösungen von 20 bis 40 Nanometern erreichen, unter bestimmten Voraussetzungen gehe es auch auf fünf bis sechs Nanometer hinunter. Zur Veranschaulichung: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ca. 50.000 Nanometern.

  Im Gegensatz zu anderen Verfahren wie der Elektronenmikroskopie kann man mit der nun Fluoreszenz-Nanoskopie genannten Methode auch lebende Zellen beobachten, und das bis in die kleinsten Bausteine hinein wie etwa die Zellwände oder die "Zellkraftwerke" Mitochondrien. So schafften es Hell und sein Team vor einigen Monaten erstmals, Live-Bilder aus einem Mäusehirn zu übertragen.  Dabei konnte man "zum ersten Mal die Verästelungen von Neuronen auf der Nanoskala an der lebenden Maus sehen", so der vielfach ausgezeichnete Forscher. Als nächster Schritt sei beispielsweise die Erforschung von Plaques im Gehirn von Alzheimer-Mäusen denkbar, ebenso wie neue Erkenntnisse über Autismus oder Parkinson.

  "Die Perzeption dessen, was ein Lichtmikroskop kann, ist radikal und unwiederbringlich verändert worden", sagt Hell heute über seine Entdeckung. Anfangs stießen seine Ideen aber noch auf wenig Akzeptanz. Zu den Ausnahmen zählte die Technische Universität (TU) Wien, die das Potenzial des STED-Verfahrens bereits sehr früh erkannte und Hell einen Lehrstuhl anbot: "An der TU Wien waren das (der damalige Chef des Wissenschaftsfonds FWF; Anm.) Arnold Schmidt und (der Laserphysiker) Ferenc Krausz." Das Rennen machte langfristig aber die deutsche Max-Planck-Gesellschaft, an der der Physiker heute noch tätig ist: "Irgendwann kam dann das Angebot von Max-Planck und das war dann nicht zu schlagen."