Wie Großformat-Objektive die ExA-SPIM Lichtblattmikroskopie revolutionieren

Das Allen Institute for Neural Dynamics, ein Bereich des renommierten Allen Institute, ist bekannt für seine ambitionierten Projekte zur Entschlüsselung der Komplexität des Gehirns. Die Wissenschaftler dort befassen sich mit fundamentalen Fragen zur Entwicklung, Funktion und krankheitsbedingten Veränderungen des Gehirns. Um diese zu beantworten, müssen sie oft bestehende Technologien an ihre Grenzen bringen – oder sogar neue Werkzeuge entwickeln. Das ExA-SPIM-Mikroskop ist ein Paradebeispiel für diesen Innovationsgeist.

Stellen Sie sich ein optisches Objektiv vor, das von Schneider-Kreuznach mit höchster Präzision entwickelt wurde, um kleinste Fehler auf elektronischen Bauteilen in der Produktion aufzuspüren. Genau diese Hochleistungstechnologie spielt nun eine Schlüsselrolle dabei, die feinen Strukturen des Gehirns sichtbar zu machen. Beim revolutionären „ExA-SPIM“-Mikroskop ermöglicht unser Industrieobjektiv die Beobachtung von Gewebe auf Nanometerskala – und liefert bisher unerreichte Einblicke in ganze Mausgehirne.

Die Herausforderung: Das komplexe Netzwerk des Gehirns sichtbar machen

Das Gehirn ist ein unglaublich komplexes Organ. Obwohl das Gehirn einer Maus nur etwa die Größe einer Geleebohne hat, enthält es fast 80 Millionen Neuronen, die jeweils Tausende Verbindungen eingehen. Um zu verstehen, wie diese Neuronen verdrahtet sind und kommunizieren, ist eine Bildgebung mit hoher Vergrößerung und Schärfe über große Bereiche hinweg notwendig – eine große Herausforderung für klassische Mikroskopie-Beleuchtungstechniken.

Lichtblattmikroskopie (SPIM): Eine intelligentere Beleuchtungsstrategie

Konventionelle Lichtmikroskopie beleuchtet oft die gesamte Probe. Das ist zwar einfach, führt aber zu unscharfen Bildern durch außerhalb des Fokus liegendes Licht und kann empfindliche biologische Proben durch starke Fluoreszenzstrahlung schädigen.

Die Lichtblattmikroskopie – auch SPIM (Selective Plane Illumination Microscopy) genannt – bietet hier eine elegantere Lösung. Dabei beleuchtet ein dünnes Lichtblatt selektiv nur eine schmale Ebene der Probe. Das Detektionssystem des Mikroskops ist senkrecht dazu ausgerichtet und erfasst ausschließlich die angestrahlte Ebene. Durch das systematische Verschieben der Probe durch das Lichtblatt – oder umgekehrt – entstehen 2D-Bilder, die anschließend zu einem scharfen 3D-Bild zusammengesetzt werden. Dies reduziert die Lichtschädigung deutlich und sorgt für klarere Aufnahmen auch bei dickem Gewebe.

ExA-SPIM: Erweiterung als Schlüssel zur Nanometerauflösung

Das „ExA“ in ExA-SPIM steht für „Expansion-Assisted“. Die Forscher des Allen Institute nutzen eine clevere chemische Technik: die Expansion Microscopy. Dabei wird das Gehirngewebe mit einem speziellen Gel durchtränkt, das es gleichmäßig aufquellen lässt – ähnlich wie ein sorgfältig aufgeblasener Miniaturballon. Diese physikalische Vergrößerung macht selbst feinste neuronale Strukturen wie Axone, Dendriten und Synapsenkomponenten größer und damit für Lichtmikroskope besser sichtbar.

Doch die Expansion bringt auch neue Herausforderungen mit sich: Das zuvor kleine Gehirngewebe wird zu einem empfindlichen, überwiegend wasserbasierten Hydrogel. Die Bildgebung eines solch großen und fragilen Objekts erfordert hohe Auflösung – etwas, das viele konventionelle SPIM-Systeme mit Standardobjektiven nicht leisten können. Sie bieten weder das große Sichtfeld noch die nötige Arbeitsdistanz und optische Qualität.

^{Bild von Neuronen in einem Gehirn.}

Vorteile unseres Großformat-Objektivs:

• Enormes Sichtfeld (FOV): Unser Objektiv, ursprünglich für die Inspektion großer elektronischer Komponenten entwickelt, bietet ein außergewöhnlich großes Sichtfeld von 10,6×8,0 mm². Im ExA-SPIM bedeutet das: Ein deutlich größerer Bereich des expandierten Gehirns kann in einem einzigen Bild aufgenommen werden. Das verändert alles – ein 3-fach expandiertes Mausgehirn lässt sich in nur 15 Kachelaufnahmen erfassen. Ein herkömmliches SPIM-System bräuchte für dieselbe Auflösung über 400 Kacheln – das spart enorm Zeit und Rechenaufwand.

  Hohe Auflösung über das gesamte Sichtfeld: Trotz des großen Sichtfelds erreicht das Objektiv eine beachtliche numerische Apertur (NA) von 0,305 – entscheidend, um genug Licht zu sammeln und feine Details nach der Gewebeexpansion sichtbar zu machen. In Kombination mit der 3-fach Expansion erreicht das ExA-SPIM-System eine effektive optische Auflösung von etwa 0,5 µm lateral und 1 µm axial – also echte Nanometerauflösung.

  Großer Arbeitsabstand: Expandierte Gewebe sind voluminös. Unser Objektiv bietet einen Arbeitsabstand von rund 35 mm – ausreichend, um das große Muster samt Flüssigkeitskammer sicher aufzunehmen, ohne Kollisionen oder Qualitätseinbußen.

  Optimiert für Flüssigimmersion: Das Team des Allen Institute hat unser Objektiv für den direkten Einsatz in Flüssigkeit angepasst. Da expandierte Gewebe zu einem Großteil aus Wasser bestehen, reduziert die Bildgebung in einem Medium mit ähnlichem Brechungsindex optische Verzerrungen – so bleibt die Bildqualität auch in tiefen Gewebeschichten hoch.

  Überlegene Étendue: Étendue beschreibt die Fähigkeit eines optischen Systems, Licht einzufangen. Unser Objektiv erreicht hier einen Wert von G = 19,65 mm² – es ist damit besonders effizient bei der Lichtaufnahme über das große Sichtfeld und ermöglicht so schnelle, hochauflösende Volumenaufnahmen.

• Industrielle Präzision, biologische Erkenntnisse: Ursprünglich für die Messtechnik entwickelt, wo höchste Genauigkeit gefragt ist, weist unser Objektiv nur minimale Verzerrungen auf und ist hervorragend korrigiert für chromatische und sphärische Aberrationen. Dies stellt sicher, dass die aufgenommenen Strukturen des Gehirns eine exakte Abbildung der Realität sind – entscheidend für die präzise Nachverfolgung von Neuronen und den Wiederaufbau neuronaler Netzwerke.

Die Großformat-Kamera – der perfekte Partner:

Um das volle Potenzial unseres Großformat-Objektivs auszuschöpfen, ist ein ebenso großes und schnelles Kamerasystem notwendig. Im ExA-SPIM-System kommt die Vieworks VP-151MX-Kamera zum Einsatz, die mit dem Sony IMX411-Sensor ausgestattet ist.

• Hohe Pixelanzahl: Dieser Sensor ist ein Meisterwerk der Industrie mit 151 Megapixeln (14.192 x 10.640 Pixel). Diese enorme Pixelanzahl eignet sich perfekt zur Digitalisierung des großen Bildfeldes unseres Objektivs, ohne dabei Details zu verlieren.
• Geschwindigkeit und Synchronisation: Ein wesentliches Merkmal des Sony IMX411 ist sein einseitiger Rolling-Shutter. In Kombination mit raffinierter Technik erlaubt dieser einen sehr schnellen Auslesevorgang der Pixel-Daten. Entscheidend: Dieser Rolling-Shutter kann präzise mit einem „axial-gesweepten“ Lichtblatt synchronisiert werden. Anstatt statisch zu sein, wird das Lichtblatt dabei rasch durch den Fokus des Detektionsobjektivs gescannt (gesweept), und der Rolling-Shutter der Kamera folgt dieser Bewegung. Diese Technik, die ursprünglich in der strukturierten Beleuchtungsmikroskopie entwickelt wurde, verbessert effektiv die axiale Auflösung und Bildqualität – ganz ohne aufwändige Nachbearbeitung. Die ExA-SPIM-Kamera bewältigt dies mit beeindruckender Geschwindigkeit – bis zu 946 Megavoxel pro Sekunde.

^{Vergleich eines Standardmikroskopobjektivs mit einem hochauflösenden Großformatobjektiv.}

^{Dieses TITANITE Objektiv wurde speziell für die Lichtblattmikroskopie entwickelt und wird mit einer Tauchkappe geliefert.}