Wissenschaftler haben eine neuartige Hybrid-Bildgebungstechnik namens HyFMRI entwickelt, die es ermöglicht, neuronale Aktivität, Astrozytenaktivität und den Blutfluss im lebenden Gehirn gleichzeitig zu visualisieren. Diese Innovation verspricht, unser Verständnis komplexer Gehirnprozesse grundlegend zu verändern, indem sie das Zusammenspiel verschiedener Gehirnzellen und des Blutflusses in Echtzeit und nicht-invasiv erfasst.
HyFMRI kombiniert die Multiplex-Fluoreszenzbildgebung, die spezielle Marker zur Verfolgung der Aktivität von Neuronen und Astrozyten nutzt, mit der detaillierten räumlichen Information der Magnetresonanztomographie (MRT). Diese Verschmelzung überwindet die Einschränkungen früherer Methoden, die sich jeweils nur auf einen Aspekt der Gehirnfunktion konzentrierten. Die Technik nutzt fortschrittliche fluoreszierende Proteine, die auf spezifische Signale von Neuronen und Astrozyten reagieren, und die MRT-Komponente kartiert den Blutfluss und die Sauerstoffversorgung, wodurch die zelluläre Signalübertragung präzise mit der vaskulären Reaktion verknüpft wird.
Die gleichzeitige Datenerfassung ist zentral für das Verständnis der Unterstützung neuronaler Aktivität durch die Blutversorgung, ein Prozess, der als neurovaskuläre Kopplung bekannt ist. Diese Kopplung beschreibt den physiologischen Mechanismus, der die Blutversorgung des Gehirns reguliert, um den erhöhten Bedarf von aktiviertem Nervengewebe an Sauerstoff und Glukose durch eine lokale Steigerung des Blutflusses zu decken. Ein wesentlicher Vorteil von HyFMRI ist seine nicht-invasive Natur, was für Langzeitstudien von großer Bedeutung ist.
Frühe Tests in Tiermodellen zeigten erfolgreich die stimulationsabhängige neuronale Aktivität zusammen mit Kalziumwellen in Astrozyten und entsprechenden Veränderungen des Blutflusses. Diese Ergebnisse unterstreichen die Vernetzung von Gehirnzellen und ihrem vaskulären Unterstützungssystem. Astrozyten, oft als sternförmige Gliazellen bezeichnet, spielen eine entscheidende Rolle im Gehirn, indem sie nicht nur für die Nährstoffversorgung der Neuronen und die Kontrolle der Blut-Hirn-Schranke zuständig sind, sondern auch komplexe Netzwerke bilden, die den Informationsaustausch zwischen den Zellen ermöglichen.
HyFMRI hat das Potenzial, die Erforschung neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer, Schlaganfall und Epilepsie erheblich voranzutreiben, bei denen Störungen der neurovaskulären Kopplung und der Astrozytenfunktion vermutet werden. Durch die detaillierte Kartierung dieser pathologischen Veränderungen könnte die Technik zu einer früheren Diagnose und einer besseren Überwachung der Behandlungseffektivität beitragen. Die Forscher weisen auch auf die Flexibilität der Technik hin, die durch die Verwendung verschiedener fluoreszierender Sonden an andere Zelltypen oder spezifische Neurotransmitter angepasst werden kann.
Obwohl HyFMRI derzeit in Tiermodellen eingesetzt wird, laufen Anstrengungen, die Technik für Humanstudien anzupassen, was die Hirndiagnostik und -forschung revolutionieren könnte. Dieser Durchbruch ermutigt zu weiteren Innovationen bei der Kombination verschiedener Bildgebungstechnologien und fördert die Zusammenarbeit über verschiedene wissenschaftliche Disziplinen hinweg. Die Veröffentlichung in Light: Science & Applications unterstreicht die Bedeutung dieses Fortschritts in der Neurobildgebung für die Beschleunigung von Entdeckungen in den Neurowissenschaften und der Medizin.