Aufbau und Funktionen des extrazellulären Raums (ECS) im Gehirn

Der extrazelluläre Raum (ECS) bildet die mikroskopisch feine, mit interstitieller Flüssigkeit gefüllte Umgebung zwischen den Zellen im Gehirn. Er ist wesentlich für die Homöostase, Signalübertragung und Stoffwechselprozesse im Nervengewebe. Das komplexe dreidimensionale Netzwerk des ECS konnte bisher im lebenden Gehirn nur unzureichend visualisiert werden – ein zentrales Forschungsziel von Prof. Nägerl und seinem Team.

Mit der Entwicklung der Super-Resolution Shadow Imaging (SUSHI) Methode ist es erstmals möglich, den ECS in lebendem Hirngewebe hochauflösend abzubilden. SUSHI basiert auf 3D-STED-Mikroskopie kombiniert mit einer Fluoreszenzmarkierung der interstitiellen Flüssigkeit. So entstehen kontrastreiche, detailreiche Bilder, die den ECS als „Negativbild“ der zellulären Strukturen darstellen. Dies vermeidet Artefakte der klassischen Fixierung und erlaubt dynamische Untersuchungen der Interaktionen zwischen Zellen und ihrer Umgebung in Echtzeit.

Das Nägerl-Team verfolgt das Ziel, SUSHI auf das intakte Gehirn in vivo zu übertragen – mittels eines „kranialen Fensters“ – um die Dynamik des ECS in verschiedenen Gehirnregionen (z. B. Hirnrinde, Hippocampus) und Zuständen (Schlaf, Aufmerksamkeit, Drogenwirkung) langfristig und unter physiologischen Bedingungen zu erforschen. Dabei werden biophysikalische Eigenschaften mittels neuartiger Biosensoren gemessen und die Daten in Modelle integriert, um Diffusionsprozesse und die Wirkung von Medikamenten im ECS besser zu verstehen. Ebenso erwartet man neue Einsichten in die Mobilität und Migration von Zellen und deren Fortsätzen im Gehirngewebe.

Darüber hinaus wird SUSHI mit neurophysiologischen Techniken wie Patch-Clamp und 2-Photonen-Glutamat-Uncaging kombiniert, um die Beziehung zwischen ECS-Struktur und neuronaler Funktion in lebenden Gehirnschnitten zu untersuchen.