Schärfere Hirnbilder mit Femtosekunden-Lasern

Die nichtlineare optische Mikro­skopie ermöglicht, biologische Prozesse zu beobachten und besser zu verstehen. Licht hat jedoch auch die Fähigkeit, lebende Materie zu schädigen. Die Mechanismen, die irre­versible Störungen zellulärer Prozesse durch intensives Licht verursachen, sind allerdings nach wie vor kaum verstanden. Um Bedingungen zu ermitteln, unter denen intensive gepulste Laser in vivo eingesetzt werden können, ohne den Organismus zu schädigen, haben sich die Forschungs­gruppen von Hanieh Fattahi und Daniel Wehner am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) und am Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin zusammen­geschlossen.

Das internationale Team aus Erlangen nutzte die Wirbeltierart Zebrabärbling, um die Mechanismen der durch Femtosekunden­laserpulse ausgelösten Lichtschädigung im Gewebe auf zellulärer Ebene zu erforschen. Soyeon Jun, Doktorandin in der Gruppe von Hanieh Fattahi, Leiterin der Gruppe Femto­sekunden-Feldoskopie am MPL, erklärt: „Wir konnten zeigen, dass die Schädigung des zentralen Nervensystems (ZNS) von Zebrafischen bei der Bestrahlung mit Femtosekunden­pulsen bei 1030 nm schlagartig bei den extremen Spitzen­intensitäten auftritt, die für die Bildung eines Plasmas geringer Dichte erforderlich sind.“ 

Dies ermöglicht eine nicht-invasive Erhöhung der Bildgebungs-Verweil­dauer und des Photonen­flusses während der Bestrahlung bei 1030 Nanometer Wellenlänge, solange die Spitzen­intensität unter dem Schwellenwert für niedrige Plasmadichte liegt. Diese Feststellung ist entscheidend für die nichtlineare markierungs­freie Mikroskopie. Die Erkenntnisse tragen wesentlich zu Fortschritten bei der Bildgebung von Gewebe und innovativen Mikroskopie­techniken bei, wie der Femtosekunden-Feldoskopie, die derzeit in meiner Gruppe entwickelt wird. Diese Technik ermöglicht die Aufnahme von markierungs­freien Bildern mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung im Attosekunden­bereich“, sagt Hanieh Fattahi.

„Unsere Ergebnisse unter­streichen nicht nur den Wert der Zusammenarbeit von Physik und Biologie, sondern ebnen auch den Weg für zukünftige In-vivo-Anwendungen, um lichtbasierte präzise Mani­pulationen des zentralen Nervensystems zu erreichen“, sagt Daniel Wehner, Leiter der Forschungsgruppe Neuro­regeneration.

MPL / JOL