In Vivo Confocal Neuroimaging (ICON): Neue Perspektiven für die nicht-invasive Echtzeit-Bildgebung im Zentralnervensystem der Säugetiere

Die Untersuchung der Struktur des zentralen Nervensystems, d. h. die Darstellung von Zellen wie Neuronen oder Glia, erfordert eine mikroskopische Darstellung von histologisch präpariertem Gewebe, das zu einem bestimmten Zeitpunkt - etwa nach einer Läsion - dem Tier entnommen wird. Die Darstellung von zeitlichen Veränderungen war bisher nur durch Zeitreihenanalysen möglich, bei denen für jeden einzelnen Zeitpunkt separate Tiere benötigt wurden. Dadurch konnten Populations- und Funktionsanalysen normaler und degenerierender Nervenzellen bisher nur im statistischen Vergleich zwischen Individuen durchgeführt werden, mit dem Nachteil interindividueller Streuung und hoher Versuchstierzahl. Auch ist keine Echtzeitanalyse der Zellmorphologie des ZNS in vivo möglich. Die Dokumentation des zeitlichen Verlauf der neuronalen Degeneration ist aber für ein besseres Verständnis der Gesamtproblematik zwingend erforderlich. Mit der Methode des in vivo Imaging retinaler Ganglienzellen mit konfokaler Mikroskopie ist es möglich die degenerativen Veränderungen fluoreszenzmarkierter RGC zu beobachten. Dies bedeutet einen großen Vorteil gegenüber konventionellen Methoden, da der Zeitverlauf im Individuum und in Echtzeit beobachtet werden kann. Somit liegt ein Werkzeug zur nicht-invasiven Beobachtung von Nervenzellen im lebenden Tier vor, dass nicht nur im Bereich der Degenerations- oder Retinaforschung, sondern insgesamt im Bereich der Neurobiologie Anwendung finden kann. Die gewonnen Erkenntnisse (anatomisch, funktionell, molekularbiologisch) sind lediglich von den eingesetzten Fluoreszenzmarkern und ihrer Eigenschaft (struktur- oder funktionsabhängig) abhängig, denn ICON ist nicht an morphologische Marker gebunden. Alle fluoreszierenden und zellverträglichen Marker sind prinzipiell einsetzbar und geben entsprechend ihren Transport- und Fluoreszenzeigenschaften Auskunft über spezielle Aspekte der untersuchten retinalen Ganglienzellen. Mit ICON können so RGCs wiederholt im selben Tier über einen Zeitraum von Wochen und Monaten ausgezählt und vermessen werden (Anzahl, Größe und Fluoreszenzintensität der RGC), ohne dass durch die Laserbestrahlung Zellen zu Schaden kommen. Das ICON-Verfahren hat dabei für die Zellerkennung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren der retinalen Flachpräparat-Histologie eine vergleichbar hohe Effizienz von 96%.

In Vivo Confocal Neuroimaging (ICON): New perspectives for non-invasive, real-time imaging in the mammalian central nervous system

With in vivo confocal neuroimaging (ICON), single retinal ganglion cells can be visualized non-invasively, repeatedly, and in real time, allowing answers to questions that could not be answered by studying dead tissue. This dissertation describe the use of ICON to visualize dynamic changes in retinal ganglion cell (RGC) morphology, connectivity, and functional activation by using different fluorescence markers. To document the versatility of ICON, the cellular response to optic nerve injury under different conditions were studied and the first evidence of reversible soma swelling, recovery of retrograde axonal transport and a difference in calcium activation dynamics between surviving and dying RGCs was found. This establishes ICON as an excellent tool for studying CNS neurons in real-time, with potential applications in research on neuroprotection/regeneration, degeneration, pharmacology, toxicity and drug delivery.