Tragbare Mikroskope verbessern die Bildgebung des Rückenmarks bei Mäusen

21. März 2023

Tragbare Mikroskope verbessern die Bildgebung des Rückenmarks bei Mäusen

Salk-Wissenschaftler erfinden tragbare Mikroskope, um hochauflösende Echtzeitbilder der Rückenmarksaktivität von Mäusen in bisher unzugänglichen Regionen zu erstellen

21. März 2023

LA JOLLA – Das Rückenmark fungiert als Bote und überträgt Signale zwischen Gehirn und Körper, um alles von der Atmung bis zur Bewegung zu regulieren. Während bekannt ist, dass das Rückenmark eine wesentliche Rolle bei der Weiterleitung von Schmerzsignalen spielt, ist das Verständnis der Wissenschaftler darüber, wie dieser Prozess auf zellulärer Ebene abläuft, durch die Technologie begrenzt. Jetzt haben Salk-Wissenschaftler tragbare Mikroskope entwickelt, um beispiellose Einblicke in die Signalmuster zu ermöglichen, die im Rückenmark von Mäusen auftreten.

Diese technologischen Fortschritte werden in zwei in veröffentlichten Artikeln detailliert beschrieben Nature Communications veröffentlicht am 21. März 2023 und Nature Biotechnology am 6. März 2023 wird Forschern helfen, die neuronalen Grundlagen von Empfindungen und Bewegungen in gesunden und krankheitsbedingten Kontexten wie chronischen Schmerzen, Juckreiz, amyotropher Lateralsklerose (ALS) oder Multipler Sklerose (MS) besser zu verstehen.

„Diese neuen tragbaren Mikroskope ermöglichen es uns, Nervenaktivitäten im Zusammenhang mit Empfindungen und Bewegungen in Regionen und bei Geschwindigkeiten zu sehen, die mit anderen hochauflösenden Technologien nicht zugänglich sind“, sagt der leitende Autor Axel Nimmerjahn, außerordentlicher Professor und Direktor des Waitt Advanced Biophotonics Center. „Unsere tragbaren Mikroskope verändern grundlegend die Möglichkeiten bei der Untersuchung des Zentralnervensystems.“

Die tragbaren Mikroskope sind etwa sieben und vierzehn Millimeter breit (ungefähr so ​​breit wie ein kleiner Finger oder das menschliche Rückenmark) und bieten hochauflösende, kontrastreiche und mehrfarbige Bilder in Echtzeit über bisher unzugängliche Bereiche der Wirbelsäule Kabel. Die neue Technologie kann mit einem Mikroprismenimplantat kombiniert werden, bei dem es sich um ein kleines reflektierendes Glaselement handelt, das in der Nähe der interessierenden Geweberegionen platziert wird.

„Das Mikroprisma erhöht die Bildtiefe, so dass bisher unerreichbare Zellen erstmals sichtbar werden können.“ Außerdem können Zellen in verschiedenen Tiefen gleichzeitig und mit minimaler Gewebestörung abgebildet werden“, sagt Erin Carey, Co-Erstautorin einer der Studien und Forscherin in Nimmerjahns Labor.

Pavel Shekhtmeyster, ehemaliger Postdoktorand in Nimmerjahns Labor und Co-Erstautor beider Studien, stimmt zu: „Wir haben Sichtfeld- und Tiefenbarrieren im Kontext der Rückenmarksforschung überwunden. Unsere tragbaren Mikroskope sind leicht genug, um von Mäusen getragen zu werden, und ermöglichen Messungen, die bisher für unmöglich gehalten wurden.“

Mit den neuartigen Mikroskopen begann Nimmerjahns Team, die Technologie anzuwenden, um neue Informationen über das Zentralnervensystem zu sammeln. Insbesondere wollten sie Astrozyten, sternförmige nicht-neuronale Gliazellen, im Rückenmark abbilden, weil das Team frühere Arbeit deuteten auf eine unerwartete Beteiligung der Zellen an der Schmerzverarbeitung hin.

Das Team fand heraus, dass das Zusammendrücken der Schwänze von Mäusen die Astrozyten aktivierte und koordinierte Signale über Rückenmarkssegmente sendete. Vor der Erfindung der neuen Mikroskope war es unmöglich zu wissen, wie die Astrozytenaktivität aussah – oder was jedem Die Zellaktivität ähnelte in diesen Rückenmarksregionen sich bewegender Tiere.

„Die Möglichkeit zu visualisieren, wann und wo Schmerzsignale auftreten und welche Zellen an diesem Prozess beteiligt sind, ermöglicht es uns, therapeutische Interventionen zu testen und zu entwerfen“, sagt Daniela Duarte, Co-Erstautorin einer der Studien und Forscherin in Nimmerjahns Labor. „Diese neuen Mikroskope könnten die Schmerzforschung revolutionieren.“

Nimmerjahns Team hat bereits damit begonnen zu untersuchen, wie sich die neuronale und nicht-neuronale Aktivität im Rückenmark bei verschiedenen Schmerzzuständen verändert und wie verschiedene Behandlungen die abnormale Zellaktivität kontrollieren.

Weitere Autoren sind Alexander Ngo, Grace Gao, Nicholas A. Nelson, Jack A. Olmstead und Charles L. Clark von Salk.

Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health (R01NS108034, U19NS112959, U19NS123719, U01NS103522 und F31NS120619), einem National Institutes of Health Training Grant (T32/CMG), dem Sol Goldman Charitable Trust, C. und L. Greenfield, a Graduiertenstipendium der Rose Hills Foundation, ein Burt and Ethel Aginsky Research Scholar Award, ein Kavli-Helinski Endowment Graduate Fellowship und ein Salk Innovation Grant.

Weitere Informationen

Zeitschriftentitel: Nature Communications veröffentlicht
Titel der Arbeit: Multiplex-translaminare Bildgebung im Rückenmark von sich verhaltenden Mäusen
Autoren: Pavel Shekhtmeyster, Erin M. Carey, Daniela Duarte, Alexander Ngo, Grace Gao, Nicholas A. Nelson, Charles L. Clark und Axel Nimmerjahn
DOI: 10.1038/s41467-023-36959-2

Zeitschriftentitel: Nature Biotechnology
Titel der Arbeit: Transsegmentale Bildgebung im Rückenmark von sich verhaltenden Mäusen
Autoren: Pavel Shekhtmeyster, Daniela Duarte, Erin M. Carey, Alexander Ngo, Grace Gao, Jack A. Olmstead, Nicholas A. Nelson und Axel Nimmerjahn
DOI: 10.1038/s41587-023-01700-3