Hochauflösende Gehirnkartierung dank Röntgenlicht in Reichweite

«Das Gehirn ist eines der komplexesten biologischen Systeme der Welt», erklärt Adrian Wanner, Leiter der Forschungsgruppe Strukturelle Neurobiologie am Paul Scherrer Institut PSI. Seine Gruppe untersucht, wie Neuronen miteinander verschaltet sind: ein Gebiet, das als Konnektomik bezeichnet wird. 

Er führt aus: «Nehmen wir die Leber: Wir kennen etwa 40 Zellarten. Wir wissen, wie sie angeordnet sind. Wir kennen ihre jeweilige Funktion. Beim Gehirn ist das nicht so. Man könnte also fragen: Worin besteht der Unterschied zwischen dem Gehirn und der Leber? Wenn wir uns einen Zellkörper im Gehirn und in der Leber ansehen, ist es nicht leicht, sie voneinander zu unterscheiden. Beide haben einen Zellkern, ein endoplasmatisches Retikulum – beide haben die gleiche interzelluläre Maschinerie, die gleichen Moleküle, die gleichen Proteinarten. Darin besteht der Unterschied also nicht. Was sie wirklich unterscheidet, ist die Organisation der Gehirnzellen und ihre Verbindung untereinander.

In Zahlen ausgedrückt: In einem Kubikmillimeter Gehirngewebe befinden sich etwa 100 000 Neuronen, die durch etwa 700 Millionen Synapsen und vier Kilometer «Verkabelung» miteinander verbunden sind.

Die Art und Weise, wie diese Neuronen durch Synapsen miteinander verbunden sind, bestimmt die Funktionsweise des Gehirns. Sie wird mit Krankheiten wie Alzheimer in Verbindung gebracht. Doch die räumliche Komplexität dieser Verschaltung lässt sich nur sehr schwer untersuchen. «Wenn man ein neuronales Netz aus siebzehn Neuronen nimmt, gibt es mehr Möglichkeiten, diese miteinander zu verbinden, als das Universum Atome enthält», sagt Wanner. «Man kann es also nicht einfach modellieren. Wir müssen es vermessen.» 

Vor dem Hintergrund dieser immensen Problematik haben Wanner und seine Kollegen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS – in Zusammenarbeit mit dem Francis Crick Institute in Grossbritannien – nun einen bedeutenden technischen Fortschritt erzielt.

Röntgenlicht blickt in die Ultrastruktur

Aktuell ist die Volumenelektronenmikroskopie das bevorzugte bildgebende Verfahren für diese Aufgabe. Da Elektronen nur oberflächlich eindringen, müssen Kubikmillimeter grosse Proben des Gehirngewebes in zehntausende hauchdünne Schnitte zerlegt werden. Diese werden dann einzeln abgebildet und rechnerisch wieder zusammengesetzt, um die räumliche Verbindung der Neuronen über die Schnitte hinweg darzustellen – ein sehr fehleranfälliger Vorgang, der zwangsläufig zu Informationsverlusten führt.

Röntgenlicht liefert nun die Lösung. Es kann millimeter- oder sogar zentimetertief eindringen und somit im Prinzip ganze Blöcke des Gewebes darstellen, ohne es zu zerschneiden. 

An der Strahllinie der SLS für kohärente Kleinwinkelröntgenstreuung, kurz cSAXS, konnten mit hochbrillanten Röntgenstrahlen bereits Computerchips mit einer Auflösung von nur vier Nanometern abgebildet werden – ein Weltrekord. «Bei biologischem Gewebe ist das Problem jedoch der Kontrast», erklärt Ana Diaz, Wissenschaftlerin an der cSAXS. «Computerchips bestehen aus Kupferdrähten, die naturgemäss einen hohen Kontrast zum umgebenden Material aufweisen. Wenn wir hingegen die Bausteine des Lebens – Proteine, Lipide und so weiter – vor dem Hintergrund einer überwiegend aus Wasser bestehenden Matrix betrachten wollen, ist die Wechselwirkung der Röntgenstrahlen sehr schwach. Dadurch ist es schwieriger, eine hohe Auflösung zu erreichen.»

Um dieses Problem zu überwinden, setzen die Forschenden beim Gehirngewebe Schwermetalle ein, um den Kontrast zu erhöhen. Diese absorbieren jedoch die Röntgenstrahlen, was zu einem weiteren Problem führt: Die Probe verformt sich. Einbettmaterialien können die Probe zwar stabilisieren, verformen sich jedoch ebenfalls im Röntgenlicht, werfen Blasen und zerstören so die feine Ultrastruktur des Gehirngewebes. 

Ein Harz aus der Luft- und Raumfahrtindustrie 

Um dieses Problem zu lösen, haben Wanner, Diaz und Kollegen einen neuen Ansatz entwickelt. Ihre wichtigste Neuerung ist ein Epoxidharz, das in biologisches Gewebe eindringen kann und dabei eine aussergewöhnliche Strahlungstoleranz aufweist – ein Material, das normalerweise in der Luft- und Raumfahrt, in der Nuklearindustrie und in Teilchenbeschleunigern eingesetzt wird. 

Hinzu kommt ein speziell konstruierter Tisch, der es ermöglicht, die Proben während der Durchleuchtung mit flüssigem Stickstoff auf minus 178 Grad Celsius zu kühlen. Zum Schluss werden kleinere Verformungen, die dennoch auftreten, mithilfe eines Rekonstruktionsalgorithmus herausgerechnet.

Mit diesem Ansatz konnten die Forschenden Gewebeproben aus dem Gehirn einer Maus mit einer Dicke von bis zu zehn Mikrometern untersuchen und eine räumliche Auflösung von achtunddreissig Nanometern erreichen. «Diese Auflösung ist so weit wir wissen ein Rekord bei der Röntgenbildgebung an einem ausgedehnten biologischen Gewebe», meint Diaz. 

Bei einer solchen Auflösung liessen sich Synapsen und andere Merkmale der Neuronen und ihrer Verbindungen, wie Axone und Dendriten, zuverlässig bestimmen. «Dies sind keine bahnbrechenden Informationen über das Gehirn: sie entsprechen den Ergebnissen der modernsten Volumenelektronenmikroskopie – dem derzeitigen Goldstandard», fügt Wanner hinzu. «Spannend ist es, weil wir damit erst am Anfang stehen.» 

Kohärente Röntgenstrahlung erhält durch das Upgrade der SLS neuen Auftrieb

Ein zehn Mikrometer dickes Stück Gehirngewebe mag zwar winzig erscheinen, ist aber bereits um Grössenordnungen dicker als die Schnittpräparate, die mit dem Elektronenmikroskop untersucht werden. Die Probengrösse wird derzeit noch durch die Zeit begrenzt, die zur Aufzeichnung benötigt wird. Es kann Tage dauern, genügend Daten für die Rekonstruktion eines hochauflösenden Bildes zu sammeln. Dieser Engpass hängt mit den Röntgenstrahlen zusammen.

Bei dem von den Forschenden verwendeten bildgebenden Verfahren, der sogenannten Ptychografie, werden keine Linsen verwendet; es beruht stattdessen auf kohärenten Röntgenstrahlen. «Kohärenz ist genau das, was wir durch die Aufrüstung der SLS erreichen werden», sagt Diaz.

Die SLS hat gerade ein umfassendes Upgrade zu einem Synchrotron der vierten Generation abgeschlossen und gehört damit zu den modernsten Synchrotronen der Welt. Dank der technischen Verbesserungen werden Ptychografie-Experimente an der cSAXS-Strahllinie von einem bis zu hundertmal höheren Fluss kohärenter Röntgenstrahlung profitieren. 

«Wenn hundertmal mehr Röntgenphotonen pro Sekunde auf unsere Probe treffen, können wir – im Prinzip – entweder die Probe hundertmal schneller ablichten oder hundertmal grössere Volumina darstellen», erklärt Diaz. «In der Praxis werden wir lernen müssen, wie wir dies auf effiziente Weise tun können. Aber das Potenzial ist vorhanden.»

Die Veröffentlichung der Studie fällt mit einem wichtigen Meilenstein an der Strahllinie zusammen. Im Juli 2025 wurden die ersten Röntgenstrahlen seit dem Upgrade an der cSAXS gemessen. Nachdem die technischen Hürden für den Einsatz der Röntgenptychografie in der biologischen Bildgebung überwunden sind, ist der Weg nun frei, um wesentlich grössere Proben von Gehirngewebe in 3D mit hoher Auflösung zu untersuchen.