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Das Gehirn ist das leistungsfähigste Organ des menschlichen Körpers. Es ist die Zentrale unseres Nervensystems und steuert all unsere bewussten und unbewussten Körperfunktionen. Das Gehirn steuert alle anderen Organfunktionen, die Muskelaktivitäten und die Abgabe von Hormonen. Vom einfachen Reflex bis zur komplexen Auswertung von Empfindungen spielen das Gehirn und seine Milliarden von Neuronen immer eine Rolle. Aufgrund der Fortschritte im Bereich der Optik und medizinischen Diagnostik wird das Zusammenwirken zwischen Neuronen und Gliazellen jetzt besser verständlich als je zuvor; wie jedoch die Millionen von neuronalen Netzwerken als Einheit für komplexe Aufgaben funktionieren, bleibt für die Forscher immer noch ein Rätsel. Zur Bildaufnahme von Hirnschnitten stehen mehr Werkzeuge zur Verfügung als je zuvor. Mit minimalinvasiven, fasergekoppelten Bildverarbeitungssystemen soll erforscht werden, wie das Gehirn elektrisch, chemisch und physisch funktioniert. Die Schlüsselkomponenten zur Bildaufnahme von Hirnschnitten und fasergekoppelten Bildverarbeitungssystemen sind unendlich korrigierte apochromatische Mikroskopobjektive mit hoher Vergrößerung und hohen numerischen Aperturen.
Im Folgenden sind häufige Erkrankungen des Gehirns aufgelistet, die durch moderne Diagnoseverfahren erkannt werden können, beispielsweise durch die Fluoreszenzmikroskopie. Die technischen Fortschritte im Bereich der Mikroskopobjektive und anderen Optikkomponenten erlauben eine leichtere Erkennung und Behandlung dieser Erkrankungen.
Medizinische Erkrankung durch längere Unterbrechung der Blutversorgung des Gehirns, die zu Muskelschwäche auf einer Seite des Körpers, zum Verlust der Gesichtskontrolle, Taubheit und Sprachproblemen führt.
Progressive und nicht heilbare Demenz, die das Gedächtnis und andere wichtige mentale Funktionen zerstört, schleichend beginnt und allmählich immer stärker wird.
Nicht heilbare Störung des zentralen Nervensystems (ZNS), welche die Bewegung beeinträchtigt und nicht kontrollierbares Zittern mit sich bringt.
Erbliche, nicht heilbare Krankheit, bei der die Nervenzellen im Gehirn im Laufe der Zeit geschädigt werden, sodass es zu ruckartigen Körperbewegungen und schließlich zur Sprachunfähigkeit kommt.
Schwere Entzündung des Gehirns und der Rückenmarkshaut, die in der Regel durch eine Infektion ausgelöst wird und zu Fieber, Kopfschmerzen und Nackensteifheit führt.
Erkrankung mit wiederkehrenden Krämpfen, hauptsächlich aufgrund anormaler und verstärkter elektrischer Aktivität im Gehirn.
Die häufigste Art traumatischer Hirnverletzungen, ausgelöst durch starke Stoßverletzungen mit Gehirnerschütterung oder einer Verschiebung des Gehirns im Schädel.
Gutartiges oder bösartiges anormales Zellwachstum unterschiedlicher Art im Gehirn mit unterschiedlichem Schweregrad, beispielsweise Astrozytome, Blastome, Ependymome und Meningiome.
Zur Untersuchung, Diagnose und Behandlung des Gehirns werden diverse Diagnoseverfahren eingesetzt, beispielsweise laserbasierte Mikroskopie, Optogenetik oder die Clarity-Technik.
Das grün fluoreszierende Protein (GFP) ist ein spezielles Protein, das aus einer spezifischen Gruppe von Aminosäuren besteht und grün leuchtet, wenn es blauem bzw. UV Licht ausgesetzt ist. Dieses Protein wurde aus Meeresquallen extrahiert, die häufigste Erregerwellenlänge liegt bei 395 nm bis 475 nm mit Emissionsspitzen bei 509 nm bis 525 nm. GFP wird bei nichtinvasiven Fluoreszenzbildverarbeitungssystemen häufig eingesetzt, um Tumorwachstum, Apoptose und andere Zellaktivitäten zu erkennen.
Biologisches Verfahren, bei dem mit Licht Zellen in lebendem Gewebe kontrolliert werden, meist Neuronen, die genetisch mit Fotorezeptoren modifiziert wurden und auf verschiedene Wellenbänder reagieren.
Verfahren, mit dem das Hirngewebe durch Hydrogele transparent gemacht wird. Zusammen mit Antikörpern oder Biomarkern entstehen detailreiche Bilder der Nukleinstruktur des Gehirns, die dann bestimmt und untersucht werden können.
Ein genetisch codierter Kalziumindikator für die Gehirnbildverarbeitung. GCaMP ähnelt der Fusion des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) mit Calmodulin und einer Myosin-Peptid-Sequenz.
Neurowissenschaftliches Verfahren zur Kartierung und Auflistung spezifischer Teile oder Eigenschaften des Gehirns in einer räumlichen Darstellung. Allgemein handelt es sich um Bildverarbeitungsverfahren zur Anatomie und Funktion des Gehirns, des Rückenmarks und des Zentralnervensystems.
Elektrophysiologisches Verfahren zur Untersuchung einzelner oder mehrerer Ionenkanäle in Neuronen, Kardiomyozyten, Muskelfasern und anderen Zellen.
Mikroskopverfahren wie Fluoreszenzmikroskopie, konfokale Mikroskopie, Multiphotonen- und hochauflösende Mikroskopie zur Untersuchung der Synapsen, Neuronen und neuralen Schaltkreise in Hirnschnitten.
Die Fluoreszenzmikroskopie ist eines der wichtigsten Verfahren zur Untersuchung der funktionalen oder morphologischen Dynamik synaptischer Strukturen einschließlich der dendritischen Dorne und Axonterminale und zur Charakterisierung der Verbindung dieser Schaltkreise und ihrer Dynamik. In der Regel wird ein Laserstrahl als Punktlichtquelle auf eine Lochblende fokussiert. Räumlich gefiltertes Licht wird von einem dichroitischen Filter reflektiert. Um die gesamte Apertur des Objektivs zu füllen, kann ein Strahlaufweiter erforderlich sein. Das Objektiv fokussiert dann Erregerenergie auf die Probe, die ein schwächeres Fluoreszenzsignal aussendet, das vom gleichen Objektiv erfasst wird. Dieses emittierte Licht wird durch den dichroitischen Filter zu einem zweiten Tubusobjektiv transmittiert und passiert dann eine weitere Lochblende, bevor es durch einen CCD oder CMOS Sensor erkannt wird. Im Idealfall befinden sich beide Lochblenden in der konjugierten Bildebene auf der optischen Achse, sodass sich die Bilder in der Objektebene perfekt überlappen. Da die konfokale Mikroskopie einen sehr dünnen, kleinen Bereich der Objektebene beobachtet, muss das Licht über ein Scannersystem oder einen motorisierten Aktuator geleitet werden, um einen ganzen Probenbereich zu erfassen. Die Bilder werden dann als 2D oder 3D Bilder zusammengesetzt.
Weitere Informationen zum Aufbau eines Fluoreszenzmikroskopiesystems.
Bei jedem Mikroskopieverfahren spielen Objektive mit mehreren Elementen eine wichtige Rolle, beispielsweise für viele Hirndiagnoseverfahren. Es ist wichtig die verschiedenen Objektivarten kennen, um für Ihre Anwendung das richtige Objektiv einzusetzen.
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