Mit Streulicht Nervenfasern im Gehirn sichtbar machen
Um unser Gehirn besser zu verstehen, muss die Forschung das riesige Labyrinth aus Nervenfasern entwirren. Jülich entwickelt dafür Methoden. Eine neue Bildgebungstechnik ergänzt bisherige Möglichkeiten.
Eigentlich wollte Miriam Menzel in ihrer Doktorarbeit eine etablierte Technik weiterentwickeln: die Polarisationsmikroskopie (PLI). Diese verwendet spezielles Licht, sogenanntes polarisiertes Licht, mit dem sich der Verlauf von Nervenfaserbahnen in Gehirnschnitten sichtbar machen lässt. Das hilft, Funktionen des Gehirns sowie Erkrankungen wie Alzheimer besser zu verstehen.
Ans Licht gebracht: Die Polarisationsmikroskopie verwendet Licht, das nur in einer festgelegten Ebene schwingt. Dieses polarisierte Licht wird durch eine Probe geschickt und dahinter analysiert. In Jülich untersuchen Forscher:innen auf diese Weise Gehirnschnitte. Der entscheidende Punkt dabei: Trifft das polarisierte Licht auf dem Weg durch die Probe auf eine Nervenfaser, verändert sich die Polarisation auf charakteristische Weise. Das lässt sich messen und daraus ableiten, wie die Nervenfasern verlaufen. Überlagern sich mehrere kreuzende Fasern, wird das Signal allerdings uneindeutig. Herkömmliche Lichtmikroskopie kann Faserrichtungen in dichtem Fasergewebe überhaupt nicht sichtbar machen.
Um PLI und die zugrunde liegenden Prozesse zu analysieren, simulierte Menzel diese mithilfe von Hochleistungsrechnern in enger Zusammenarbeit mit dem Jülich Supercomputing Centre. Dabei entdeckte sie auf den virtuell erzeugten Bildern unerwartete Informationen im gestreuten Licht. „Streulicht galt bis dahin als unerwünschtes Nebenprodukt in PLI. Aber in dem Muster des gestreuten Lichts war klar zu erkennen, wie sich Nervenfasern kreuzen“, berichtet Menzel. Das war auch für sie eine Überraschung, denn die Kreuzung von Faserbahnen stellt seit vielen Jahren eine Herausforderung für bildgebende Verfahren dar.
Menzel kam eine Idee: Weshalb nicht das Streulicht für eine völlig neue Mikroskopietechnik nutzen? Sie beleuchtete Hirnschnitte aus vielen verschiedenen Richtungen und zeichnete das Streulicht mit einer Kamera auf. Aus den gemessenen Lichtintensitäten konnte sie die Orientierung der Nervenfasern berechnen – auch dort, wo diese dicht verflochten waren. Das gelingt selbst mit einfachen Mitteln: „Wir haben sogar mit einer Taschenlampe auf einem drehbaren Bürostuhl und einer Hobby-Kamera gute Messergebnisse erzielt“, erzählt sie. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen am Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) entwarf Menzel schließlich ein vollautomatisches Verfahren, das sie „Computational Scattered Light Imaging“, kurz ComSLI taufte. „Damit lassen sich Lage und Orientierung der Faserbahnen präzise rekonstruieren“, so die Physikerin, die heute als Assistant Professor eine Forschungsgruppe an der TU Delft in den Niederlanden leitet und die Technik dort weiterentwickelt.
Historische Hirnschnitte vermessen: Um hauchdünne Hirnschnitte mit hoher Qualität herzustellen, werden die Gehirne vor dem Schneiden oft in Wachs gehärtet. Dabei wird die regelmäßige Struktur der Nervenfaserhüllen zerstört, die für PLI-Messungen eine Voraussetzung ist. Mit ComSLI lassen sich die Richtungen von Faserbahnen dennoch bestimmen. Das macht die Methode besonders wertvoll für große Archive mit vielen Tausenden präparierten Hirnschnitten, wie sie etwa in Jülich lagern. Die so gewonnenen Daten können unter anderem den BigBrain-Datensatz ergänzen, eine hochaufgelöste dreidimensionale Rekonstruktion des menschlichen Gehirns.
In Jülich kombinieren die Wissenschaftler:innen inzwischen die etablierte PLI-Technik und die neue ComSLI-Technik gezielt, um Hirnareale und Faserbahnen zu identifizieren, die von Neurodegeneration betroffen sind. „Beschädigte Faserbahnen verändern die optischen Eigenschaften des Hirngewebes, was mit PLI sichtbar gemacht werden kann. ComSLI wiederum erlaubt es, die Verläufe von Faserbahnen erkrankungsunabhängig zu bestimmen. Durch die gemeinsame Anwendung beider Methoden lassen sich betroffene neuronale Verbindungen sehr präzise lokalisieren“, sagt Prof. Markus Axer, Leiter der Arbeitsgruppe „Faserbahnarchitektur“ am INM-1.
Blick in die Zukunft: Mit ComSLI lassen sich nicht nur Hirnschnitte analysieren, sondern auch anderes biologisches Gewebe. Auch dort verlaufen faserige Strukturen, zum Beispiel Muskelfasern oder Kollagenfasern, wie sie in Sehnen, Knorpeln oder Knochen zu finden sind. Die Anordnung von Kollagenfasern kann als Tumormarker dienen, da sich diese Struktur durch den Tumor verändert. Möglicherweise ließen sich mit ComSLI sogar während einer Operation Faserarchitekturen sichtbar machen – ohne dass dafür Gewebe zerschnitten werden muss. Daran arbeitet Miriam Menzel derzeit mit ihrem Team in Delft.
Dieser Artikel ist Teil der effzett 1/2026. Text: Janosch Deeg, Fotos Infokasten: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
