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Moderne Diagnostik ermöglicht durch Optik
GEHIRN
 

GEHIRN

Optik und Fortschritte in der Hirndiagnostik

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.

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Edmund Optics Blut und Optik

Erkrankungen des Gehirns

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.

Schlaganfall

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.

Alzheimer

Progressive und nicht heilbare Demenz, die das Gedächtnis und andere wichtige mentale Funktionen zerstört, schleichend beginnt und allmählich immer stärker wird.

Parkinson

Nicht heilbare Störung des zentralen Nervensystems (ZNS), welche die Bewegung beeinträchtigt und nicht kontrollierbares Zittern mit sich bringt.

Huntington-Krankheit

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.

Meningitis

Schwere Entzündung des Gehirns und der Rückenmarkshaut, die in der Regel durch eine Infektion ausgelöst wird und zu Fieber, Kopfschmerzen und Nackensteifheit führt.

Epilepsie

Erkrankung mit wiederkehrenden Krämpfen, hauptsächlich aufgrund anormaler und verstärkter elektrischer Aktivität im Gehirn.

Gehirnerschütterung

Die häufigste Art traumatischer Hirnverletzungen, ausgelöst durch starke Stoßverletzungen mit Gehirnerschütterung oder einer Verschiebung des Gehirns im Schädel.

Hirntumore

Gutartiges oder bösartiges anormales Zellwachstum unterschiedlicher Art im Gehirn mit unterschiedlichem Schweregrad, beispielsweise Astrozytome, Blastome, Ependymome und Meningiome.

Diagnoseverfahren

Zur Untersuchung, Diagnose und Behandlung des Gehirns werden diverse Diagnoseverfahren eingesetzt, beispielsweise laserbasierte Mikroskopie, Optogenetik oder die Clarity-Technik.

GFP

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.

Optogenetik

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.

CLARITY

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.

GCaMP

Ein genetisch codierter Kalziumindikator für die Gehirnbildverarbeitung. GCaMP ähnelt der Fusion des grün fluoreszierenden Proteins (GFP) mit Calmodulin und einer Myosin-Peptid-Sequenz.

Kartierung des Gehirns

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.

Patch Clamp

Elektrophysiologisches Verfahren zur Untersuchung einzelner oder mehrerer Ionenkanäle in Neuronen, Kardiomyozyten, Muskelfasern und anderen Zellen.

Lasermikroskopie

Mikroskopverfahren wie Fluoreszenzmikroskopie, konfokale Mikroskopie, Multiphotonen- und hochauflösende Mikroskopie zur Untersuchung der Synapsen, Neuronen und neuralen Schaltkreise in Hirnschnitten.

edund Optics Diagnostiktechniken

Beispielverfahren: Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

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.

Edmund Optics Durchflusszytometrie
Figur 1: Grundlegende optische Filteranordnung für die Fluoreszenzmikroskopie

Fluoreszenzmikroskopie: In-Line-Beleuchtung mit Bildverarbeitungsfiltern

Weitere Informationen zum Aufbau eines Fluoreszenzmikroskopiesystems.

Kalkulator zur Berechnung der Tubuslänge bei unendlich korrigierten Objektiven

Bestimmung der maximalen Tubuslänge bei einem unendlich korrigierten Mikroskopsystem für eine bestimmte Bildsensorgröße ohne Vignettierung anhand der Brennweite des Objektivs, der numerischen Apertur des Objektivs, dem Eintrittspupillendurchmesser des Tubus, der Brennweite des Tubusobjektivs und der Sensorgröße.

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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.

Edmund Optics Endlich korrigierte Objektive

Endlich korrigierte Objektive

Endlich korrigierte Objektive sind Mikroskopobjektive, bei denen keine zweite Linse zur Fokussierung auf eine Probe benötigt wird.

Figur 2:Aufbau eines endlich korrigierten Mikroskopobjektivs

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Grundlagen zu Mikroskopen und Objektiven

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Unendlich korrigierte Objektive

Unendlich korrigierte Objektive

Unendlich korrigierte Objektive sind Mikroskopobjektive, die im unendlichen Abstand "fokussieren". Sie haben große Arbeitsabstände und erlauben es, optische Komponenten, beispielsweise optische Linsen oder optische Filter, in den Strahlengang einzusetzen.

Figur 3 (left): Aufbau eines unendlich konjugierten (unendlich korrigierten) Mikroskopobjektivs

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Grundlagen zur Auflösung und Vergrößerung unendlich korrigierter Objektive

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Grundlagen zur Auflösung und Vergrößerung unendlich korrigierter Objektive

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Einsatz von Tubuslinsen mit unendlich korrigierten Objektiven

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Edmund Optics Reflektierende Objektive

Reflektierende Objektive

Spiegelobjektive sind Mikroskopobjektive mit zwei Spiegeln, die ein Bild erzeugen oder einen Laser für Mikroskopieanwendungen fokussieren, bei denen eine chromatische Korrektur für ein breites Spektralband benötigt wird.

Figur 4:Aufbau eines Spiegelobjektivs

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Mikroskope und Objektive verstehen

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Einführung zu Spiegelobjektiven

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Anspruchsvolle Anwendungen erfordern Spiegelobjektive

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Edmund Optics Achromatische Objektive

Achromatische Objektive

Achromatische Objektive sind Mikroskopobjektive, welche die chromatische Aberration bei blauem und rotem Licht sowie die sphärische Aberration bei grünem Licht korrigieren. Achromatische Objektive sind leichter und kostengünstiger als apochromatische Objektive, jedoch nicht so genau für chromatische Aberration, sphärische Aberration und Feldebenheit korrigiert.

Figur 5: Apochromatisches Objektiv (links) und achromatisches Objektiv (rechts)

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Mikroskope und Objektive verstehen

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Apochromatic Objectives

Apochromatische Objektive

Apochromatische Objektive sind Mikroskopobjektive, die in einem großen Wellenlängenbereich (vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarotbereich) eine bessere Farbkorrektur als achromatische Objektive sowie eine bessere sphärische Korrektur und Feldebenheit besitzen. Sie sind jedoch schwerer und teurer als achromatische Objektive.

Figur 6: Apochromatisches Objektiv (links) und achromatisches Objektiv (rechts)

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Edmund Optics® Mission für die Hirndiagnostik

  • Konstruktion und Fertigung von Optiken zur Verbesserung der Gehirngesundheit weltweit.
  • Unterstützung der Entwicklung optischer Systeme zur korrekten Diagnose vernachlässigter und neuer Gehirnerkrankungen in aller Welt, beispielsweise Schlaganfälle, Alzheimer, Parkinson, die Huntington-Krankheit, Meningitis, Epilepsie und Hirntumore.
  • Hilfe bei der Entwicklung benutzerfreundlicher optischer Geräte für Ärzte, Neurologen, Krankenschwestern oder Techniker zur schnellen und exakten Diagnose per Tastendruck.
  • Erforschung und Entwicklung innovativer optischer Komponenten zur schnelleren Entwicklung von Geräten für die Arztpraxis in armen Regionen bzw. für die arme Bevölkerung, die keinen Zugang zum modernen Gesundheitswesen besitzt.
  • Schnellere Bereitstellung nicht invasiver, optischer Diagnoseverfahren, um die Gehirngesundheit weltweit durch Behand

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