Zweiphotonen-Mikroskop ermöglicht Forschern die Überwachung der Gehirnaktivität in Echtzeit

Die Überwachung der Gehirnaktivität ist seit dem ersten Auftreten dieser Fähigkeit ein zentrales Element der Neurowissenschaften. Das menschliche Gehirn ist weniger verstanden als das Universum und die Ozeane. Daher gibt es enorme Anstrengungen, die Geheimnisse des Geistes zu entschlüsseln. Jetzt können Forscher mithilfe einer revolutionären Methode des Zweiphotonen‑Fluoreszenzmikroskops die mentale Aktivität in Echtzeit genauer untersuchen. Das sollten Sie wissen.

Das Verständnis der Gehirnaktivität ist für viele Bereiche von entscheidender Bedeutung, einschließlich der Behandlung neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer. Wissenschaftler haben beträchtliche Anstrengungen unternommen, um zu entschlüsseln, wie Neuronen während des Denkens kommunizieren und interagieren. Ziel dieser Forschung ist es, komplexe neuronale Interaktionen bis zur zellulären Auflösung vollständig zu verstehen.

Forscher hoffen, diese Daten zu nutzen, um grundlegende Gehirnfunktionen zu beleuchten, was eines Tages zu verbessertem Lernen, Gedächtnis, Entscheidungsfindung und Gesundheitsversorgung führen könnte. Um diese Aufgabe zu bewältigen, haben sie ein fortschrittliches Zweiphotonen‑Bildgebungswerkzeug entwickelt, das dynamische neuronale Prozesse in Echtzeit verfolgen kann und damit tiefere Einblicke in das Gehirn während Lernprozessen, Aktivitäten und Krankheitszuständen ermöglicht.

Aktuelle Methoden zur Erfassung der Gehirnaktivität

Es gibt mehrere heute verwendete Methoden zur Erfassung der Gehirnaktivität. Diese Ansätze haben die Entwicklung der Branche bis heute unterstützt. Sie haben jedoch erhebliche Nachteile, darunter längere Messzeiten, mögliche Schädigung des Patienten und hohe Kosten. Die beiden am häufigsten verwendeten Methoden sind die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und die Elektroenzephalographie (EEG).

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

Die funktionelle Magnetresonanztomographie ist eine der fortschrittlichsten Methoden zur Überwachung von Gehirnwellen. Dieses nicht-invasive Verfahren kombiniert Magnetfelder und Radiowellen, um ein 3‑D‑Bild der elektromagnetischen Impulse Ihres Gehirns zu erzeugen. Diese Strategie stellte im Vergleich zu früheren Optionen einen großen Fortschritt dar, da sie Forschern ermöglichte, einen bestimmten Neuronensatz zu vergrößern und ihr Gesamtverständnis der Gehirnaktivität erheblich zu verbessern.

Elektroenzephalographie (EEG)

Eine weitere Methode, die Sie vielleicht aus Filmen kennen, ist die Elektroenzephalographie. Dieses Verfahren misst die elektrische Aktivität Ihres Gehirns. Patienten müssen spezielle Sensoren auf der Kopfhaut anbringen, die empfindlich auf elektrische Ströme reagieren. Diese Methode zur Verfolgung von Gehirnwellen wird seit 1975 eingesetzt, als Richard Caton sie erstmals erfolgreich nutzte, um die elektrischen Impulse in den Gehirnen von Kaninchen und Affen zu messen.

Seitdem hat sich diese Methode zur Erfassung der Gehirnaktivität erheblich verbessert. In den 1950er Jahren wurde die erste moderne Version der EEG eingeführt. Sie diente bis in die 1980er Jahre zuverlässig als primäres Verfahren zur Verfolgung von Gehirnwellen. 1988 wurde sie eingesetzt, um einer Person die Steuerung eines Roboters zu ermöglichen, und wird noch immer von vielen Forschern verwendet.

Studie

Die Studie „High-speed two-photon microscopy with adaptive line-excitation“ wurde in Optica veröffentlicht und zeigt, wie die Zweiphotonen‑Mikroskopie unvergleichliche Hochgeschwindigkeitsbilder neuronaler Aktivität liefern kann. Diese Aufnahmen wurden mit zellulärer Auflösung mittels eines speziell entwickelten Zweiphotonen‑Fluoreszenzmikroskops erstellt.

Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskop

Das Zweiphotonen‑Fluoreszenzmikroskop kann lebendige Bilder tief im Hirngewebe erzeugen. Um dies zu erreichen, führt das System eine adaptive Abtaststruktur ein. Diese Struktur wird im Verlauf des Experiments wiederholt, um dynamische 3‑D‑Bilder und Karten der Gehirnaktivität zu erstellen.

Adaptive Abtaststrategie

Im Kern der Studie steht die Einführung der adaptiven Abtaststrategie. Diese Methode ersetzt herkömmliche Punktbeleuchtungstechniken. Stattdessen wird eine effektivere Linienbeleuchtungsstrategie zusammen mit einer aktualisierten Punktabtastung eingesetzt, die im Vergleich zu früheren Methoden deutlich mehr Details und Überwachungsfähigkeiten bietet.

Punktabtastung

Die Punktabtastung in alten Methoden ließ viel zu wünschen übrig. Einerseits war sie extrem spezifisch, was häufig dazu führte, dass ganze Neuronensequenzen im Gehirn nicht verfolgt werden konnten. Die neue Punktabtastungsmethode verwendet eine modifizierte Linienbeleuchtungsstrategie, um hochauflösende Punktabtastungsverfahren zu imitieren. Diese Strategie ist entscheidend, um zu bestimmen, welche Hirnregionen zum nächsten Schritt des Prozesses, der Linienabtastung, übergehen müssen.

Linienbeleuchtung

Die Linienbeleuchtung ist ein Durchbruch für Neurologie‑Ingenieure. Die Methode projiziert eine kleine Lichtlinie über ein abgetastetes Gebiet. Dieser Ansatz regt die Fluoreszenz an, wodurch neurologische Signale im gesamten Gehirn von Anfang bis Ende leichter verfolgt werden können. Zusätzlich ermöglicht dieser Ansatz, dass ein viel größerer Bereich des Gehirns gleichzeitig angeregt, gescannt und in Echtzeit kartiert wird.

Test des Zweiphotonen-Mikroskops

Die Testphase des Zweiphotonen‑Fluoreszenzmikroskops umfasste zwei Labormäuse, bei denen die Forscher die neuronale Aktivität im Maus‑Kortex in Echtzeit verfolgen konnten. Bemerkenswert ist, dass das Gerät derzeit Bildsignale bis zu 198 Hz erfassen kann. In diesem Test verfolgten die Ingenieure Kalziumsignale, die auf kürzliche neuronale Aktivität hinweisen.

Digitales Mikrospiegelgerät (DMD)

Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird mithilfe eines digitalen Mikrospiegelgeräts (DMD) ein speziell konfiguriertes Laserstrahlmuster erzeugt. Dieses Gerät enthält tausende mikroskopischer Spiegel. Jeder dieser Spiegel verfügt über individuelle Steuerungen, die es ermöglichen, das Licht gezielt auf präzise Bereiche des Gehirns zu lenken. Darüber hinaus können die Spiegel so eingestellt werden, dass sie sich basierend auf neuronaler Aktivität aktivieren bzw. deaktivieren, was eine bessere Bildgebung in allen Gehirnzuständen ermöglicht.

Quelle – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Ergebnisse des Tests des Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskops

Die Testergebnisse haben unerwartete Daten geliefert, die das Potenzial haben, die aktuellen Methoden zu verbessern und die Branche zu revolutionieren. Einerseits zeigte die Studie, wie das Zweiphotonen‑Fluoreszenzmikroskop unvergleichliche Einblicke in die inneren Vorgänge des Gehirns bietet. Die Fähigkeit, Hochgeschwindigkeitsbilder mittels kurzer Linienanregung und der adaptiven Abtaststrategie zu erzeugen, eröffnet zahlreiche zukünftige Anwendungsmöglichkeiten.

Die Forscher stellten fest, dass die neue Methode es ihnen ermöglichte, einzelne Neuronen auf einem bisher unerreichten Niveau zu überwachen. Diese neuen Daten werden zur Entwicklung fortschrittlicher rechnerischer Algorithmen beitragen, die Neurologen eines Tages dabei unterstützen, einzelne Neuronen zu isolieren und besser zu verstehen.

Vorteile

Diese Studie bringt eine lange Liste von Vorteilen auf den Markt. Zum einen ermöglicht diese Art der Gehirnbildgebung Forschern, die funktionale Architektur des Gehirns auf bisher unvorstellbare Weise zu verstehen. Sie können nun sehen, wie bestimmte Gehirnzellen während spezifischer Prozesse interagieren und kommunizieren.

Behandlung neurologischer Erkrankungen

Dieses Verständnis könnte entscheidend im Kampf gegen das Aufkommen neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson sein. Beide Krankheiten fordern jährlich Hunderttausende von Todesopfern. In den USA sterben jährlich etwa 120 000 Menschen allein an Alzheimer. Leider wird diese Zahl bis 2060 weltweit auf 13,8 Millionen ansteigen.

Das Verständnis, wie das Gehirn in diesen Zuständen im Vergleich zu einem gesunden Zustand funktioniert, kann Ingenieuren helfen, diese Lücke zu schließen und das Gehirn zu seiner ursprünglichen Funktionsweise zurückzuführen. Derzeit besitzen die Daten einen enormen Wert, um die vielen Geheimnisse zu entschlüsseln, die nötig sind, um diese Art von Behandlung Realität werden zu lassen.

Lernen

Ein weiterer wichtiger Grund, warum die Überwachung der Gehirnaktivität für die Zukunft einer Nation entscheidend ist, besteht darin, dass sie das Lernen verbessern könnte. Das Verständnis, was ein Gedächtnis verankert oder wie man Informationen schneller abruft, sind nur einige Interessensbereiche, die durch diese Art der Gehirnüberwachung verbessert werden könnten. In Zukunft könnten Lehrpläne auf neuronaler Gedächtnisleistung basieren statt auf den heutigen vielen Standards.

Schnellere Bilder

Die alten Methoden zur Messung neurologischer Aktivität waren zwar effektiv, aber zeitaufwendig. Sie lieferten zudem nicht schnell genug Bilder, um Forschern die für ein komplexes Verständnis mentaler Vorgänge erforderlichen Details zu geben. Diese neue Methode ist zehnmal schneller als die traditionelle Zweiphotonen‑Mikroskopie und ermöglicht es Forschern, mentale Phänomene zu überwachen und zu verfolgen, die ältere Systeme nicht erfassen konnten.

Weniger Schaden

Die höhere Geschwindigkeit bedeutet weniger Belastung für die Patienten. Zudem benötigt das System weniger leistungsstarke Laser. Durch die Reduzierung der Laserleistung und die Verkürzung der Belichtungszeit erhalten die Patienten deutlich weniger Strahlungsenergie im Hirngewebe. Das neue System beleuchtet nur die betreffenden Neuronen, wodurch das Risiko von Schäden am empfindlichen Gewebe verringert wird.

Geringere Kosten

Kostensenkungen sind ein weiterer Vorteil dieses neuen Ansatzes. Laut Studie benötigt das Zweiphotonen‑Fluoreszenzmikroskop zehnmal weniger Laserleistung im Vergleich zu herkömmlichen Zweiphotonen‑Methoden. Diese Leistungsreduktion bedeutet mehr Nachhaltigkeit und geringere Umweltauswirkungen.

Erweiterbar

Einer der größten Vorteile der neuen Technik ist, dass sie nahtlos mit anderen effektiven Methoden kombiniert werden kann. Die Forscher haben bereits Pläne angekündigt, das Gerät mit Verfahren wie Strahl‑Multiplexing und Fernfokussierung zu koppeln. Diese Techniken erhöhen die Bildgeschwindigkeit und ermöglichen die Erstellung volumetrischer 3‑D‑Bilder in Echtzeit.

Forscher

Diese Studie wurde an der University of California, Davis, durchgeführt, wobei Yunyang Li als Hauptautor fungierte. Das Forschungsteam bestand aus Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo und Weijian Yang. Die Finanzierung des Projekts erfolgte aus verschiedenen Quellen, darunter der Burroughs Wellcome Fund, die National Science Foundation, das National Institute of Neurological Disorders and Stroke sowie das National Eye Institute.

Zwei Unternehmen, die von dieser Forschung profitieren können

Viele Hersteller könnten diese Technologie in ihr Angebot integrieren, um dem Markt ein höheres Serviceniveau zu bieten. Von Unternehmen, die Demenz lindern wollen, bis hin zu Robotikfirmen gibt es unzählige Gründe, warum das Nutzen und Verstehen der Gehirnaktivität sinnvoll ist. Hier sind zwei Unternehmen, die in den kommenden Monaten bereit sind, diese Technologie zu übernehmen.

1. BrainChip Holdings Ltd

ASX Preisdiagramm

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX ) ist ein beliebter Simulationssoftware-Anbieter für neuronale Netzwerke. Das Unternehmen trat 2004 in den Markt ein und hat seinen Sitz in Australien. Sein Gründer, Peter Van Der Made, hat maßgeblich dazu beigetragen, dass die Pionierbemühungen des Unternehmens darauf ausgerichtet bleiben, fortschrittliche künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) zu integrieren, um ihre Ergebnisse zu verbessern.

Heute bietet das Unternehmen eine Vielzahl von Produkten an, darunter eine IoT-Infrastruktur, die nach dem neuronalen Netzwerk des Gehirns modelliert ist. Ein weiteres beliebtes Produkt, das BrainChip zu Bekanntheit verholfen hat, ist die Akita Development Environment, die Entwicklern ermöglicht, experimentelle neuronale Netzwerke zu erstellen, zu trainieren und zu testen.

BrainChip Holdings hat seit 2023 einige Nachteile erlebt. Dennoch haben die neuesten Softwarelösungen und Aktivitäten des Unternehmens im KI‑ und ML‑Bereich das Interesse der Investoren neu entfacht. Daher wird BrainChip Holdings Ltd als Unternehmen mit starkem Aufwärtspotenzial angesehen.

2. Biogen

BIIB Preisdiagramm

Biogen ist ein pharmazeutisches Forschungsunternehmen, das in letzter Zeit für Aufsehen am Markt gesorgt hat. Der in Massachusetts ansässige Hersteller spezialisiert sich auf die Behandlung und Versorgung neurologischer Erkrankungen. Derzeit verfügt es über Produkte, die bei der Behandlung neurologischer, neurodegenerativer und Autoimmunerkrankungen helfen.

Biogen hat Kritik dafür erhalten, dass einige seiner Therapien beschleunigt wurden, doch das hat das Aufsteigen des Unternehmens am Markt nicht verlangsamt. Die neueste Veröffentlichung, Leqembi, wurde von der FDA im Schnellverfahren zugelassen und ist zur Behandlung von Alzheimer gedacht. Der Einsatz des neuesten Medikaments hat sich im letzten Jahr fast verdreifacht, was dem Unternehmen zu einer stärkeren Marktposition verholfen hat. Daher ist Biogens frühe Präsenz im Alzheimer‑Behandlungsmarkt und sein Produktportfolio für Anleger ein potenziell attraktiver Kauf.

Zweiphotonen-Mikroskop bietet einen Blick in die Zukunft

Das Zweiphotonen‑Fluoreszenzmikroskop bringt die Menschheit einen Schritt näher daran, mit ihrer Umgebung allein durch Gedanken zu interagieren. Dieses innovative Forschungsteam hat die Grenzen der neurologischen Forschung erweitert und liefert bislang nie dagewesene Einblicke in die menschliche Gehirnaktivität. Diese Forschung wird mit Sicherheit weitere Studien nach sich ziehen, die eines Tages zu weniger neurologischen Erkrankungen und vielen anderen Fortschritten führen könnten.

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