Wackelspiegel-Mikroskop filmt schnelle Aktivität von Nervenzellen in 3D

Biologen können lebende Zellen und winzige Organismen mit immer besseren Mikroskopie-Methoden untersuchen, die eine räumliche Auflösung von nur noch wenigen Dutzend Nanometern erreichen. Auch dreidimensionale Aufnahmen sind bereits mit abtastenden Lasern möglich. Für 3D-Filme von sich bewegenden Proben haben nun Wissenschaftler der Columbia University in New York ein weiteres, neuartiges Mikroskop – SCAPE genannt - entwickelt. Mit über 20 Bildern pro Sekunde soll es laut ihrem Bericht in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ deutlich schneller Aufnahmen liefern als bisher verfügbare Techniken.

Echtzeitaufnahme mit dem SCAPE Mikroskop

„Mit SCAPE können wir nun komplexe, lebende Objekte wie etwa feuernde Neuronen im Hirn von Versuchstieren beobachten“, sagt Elizabeth Hillman vom Columbia University Medical Center. Das sei bisher nicht möglich gewesen. Um in schneller Bildfolge dreidimensionale Mikroskopbilder zu erhalten, verwendeten Hillman und Kollegen einen Polygonspiegel mit mehreren zueinander versetzten Spiegelflächen. Dieses Spiegelpolygon schwenkten sie zehn bis 40 Mal pro Sekunde hin und her und konnten so in schneller Folge ein Objekt in mehreren Belichtungsebenen erfassen. Diese Aufnahmen – jede einzelne zweidimensional – ließen sich zu einem dreidimensionalen Film zusammensetzen.

Im Detail lenkten die Forscher einen Laserstrahl auf den Polygonspiegel. Dieser wurde in stetig sich verändernde Winkel reflektiert und durch das vergrößernde Mikroskop-Objektiv mit schrägem Einfallswinkel auf eine Probe gelenkt. In einem Mäusehirn etwa, das zuvor mit Fluoreszenzmarkern versetzt wurde, konnten so die Neuronaktivitäten Bild für Bild aufgenommen werden. Dabei strahlte das von der Probe emittierte Fluoreszenzlicht abermals durch die Mikroskop-Optik auf das schwenkbare Spiegelpolygon. Die Spiegelflächen lenkten die jeweiligen Aufnahmen auf einen digitalen Bildchip, der bis zu 2400 Bilder pro Sekunden registrieren konnte. Auf diesen Daten basieren die dreidimensionalen Filmaufnahmen, die eine Auflösung von bis zu 400 Nanometern erreichten.

Diese Methode kommt, abgesehen von dem schwenkbaren Spiegel-Polygon, mit einem herkömmlichen Lichtmikroskop aus. So könnte es deutlich günstiger konstruiert werden als bisher verwendete Laser-Scanner-Methoden. Vorteilhaft ist die schnelle Bildfolge von knapp über zwanzig Bildern pro Sekunde. Doch kann das Laserlicht nicht tief in eine Probe eindringen, wodurch der mögliche Einsatzbereich eingeschränkt bleibt.

Bereits vor über einem Jahr hatten Elisabeth Hillman und ihre Kollegen ihre SCAPE-Mikroskopie zum Patent angemeldet. Erste Unternehmen sollen bereits Interesse an Lizenzen gezeigt haben, sodass schon bald mit ersten Produkten für die Untersuchung von Hirnaktivitäten oder Zellkulturen zu rechnen ist.