Onderzoekers van de Universiteit Leiden hebben een nieuwe microscopietechniek ontwikkeld waarmee de verbindingen tussen hersencellen gedetailleerd en driedimensionaal zichtbaar worden. Deze innovatie markeert een belangrijke stap in het ontrafelen van een van de grootste vragen in de neurowetenschappen: hoe stroomt informatie door het brein, en wat gebeurt er wanneer die communicatie bij ziekten wordt verstoord?
Het onderzoeksteam onder leiding van professor Sense Jan van der Molen gebruikt hiervoor een geavanceerde microscoop die de opbouw van hersenstructuren kan blootleggen tot op het niveau van de synaps. Dit zijn de microscopisch kleine contactpunten waar neuronen signalen uitwisselen. Door dit detailniveau kunnen wetenschappers functionele netwerken in kaart brengen en beter begrijpen hoe afwijkingen in deze netwerken bijdragen aan neurologische aandoeningen. Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.
PEEM als nieuwe beeldvormingsmethode
In een samenwerking tussen Leiden en Chicago is Photoemission Electron Microscopy (PEEM) geïntroduceerd als innovatieve tool voor het visualiseren van hersenweefsel. PEEM maakt gebruik van het foto-elektrisch effect om extreem gedetailleerde beelden te genereren. Voor dit project werd de techniek ingezet op ultradunne, opeenvolgende hersencoupes uit hetzelfde muizenbrein.
Het resultaat: haarscherpe beelden die veel sneller én goedkoper worden geproduceerd dan met gangbare technieken zoals transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) of scanning-elektronenmicroscopie (SEM). Door deze coupes achter elkaar te analyseren, kan een nauwkeurig 3D-model van hersenstructuren worden opgebouwd.
Snellere en betaalbare 3D-kartering van het brein
Het in kaart brengen van alle neuronale verbindingen, de zogeheten connectomics, wordt wereldwijd beschouwd als een enorme technische uitdaging. Traditionele methoden zijn kostbaar en tijdrovend, wat grootschalige mapping vaak onhaalbaar maakt. Met deze proof-of-concept toont PEEM aan dat die barrières kunnen worden doorbroken.
Bij een resolutie van 20 nanometer is het nu al mogelijk synapsen te identificeren. “We hebben de contactpunten zichtbaar gemaakt waar elektrische en chemische signalen worden doorgegeven tussen neuronen,” zegt Van der Molen. “PEEM levert rijke structurele informatie zonder de zware kleuring of complexe preparatie die traditionele methoden vereisen. Het opent de deur naar grootschalige, high-throughput hersenmapping.”
Klaar voor verdere optimalisatie
Een belangrijk voordeel is dat de beeldkwaliteit van PEEM nog verder verbeterd kan worden, zowel door optimalere samplevoorbereiding als door de inzet van nieuwe generatie PEEM-microscopen. Samen met internationale partners werkt het Leidse team aan nog hogere resoluties en nauwkeuriger reconstructies.
Het laboratorium van Van der Molen bouwt hiermee aan een sterke internationale reputatie op het snijvlak van geavanceerde microscopie en biomedisch onderzoek. De onderzoekers zien grote kansen om PEEM te combineren met studies naar hersenziekten, regeneratieve geneeskunde en zelfs breinmodellen voor AI-onderzoek. Met deze techniek komt een belangrijke ambitie van de neurowetenschappen dichterbij: het in kaart brengen van de hersenen op synapsniveau, sneller dan ooit en tegen aanzienlijk lagere kosten.
Dieper in hersenen kijken
Enkele weken geleden werd bekend dat onderzoekers een geavanceerde beeldvormingstechnologie ontwikkeld hebben die een ongekende diepe en brede visualisatie van hersenactiviteit met eencellige resolutie mogelijk maak. Met DEEPscope werd een belangrijke technologische doorbraak in diepe hersenbeeldvorming geïntroduceerd.
Dankzij een adaptief excitatiesysteem en een multi-focus polygoon scanschema kan het systeem efficiënte fluorescentie genereren binnen een groot gezichtsveld van 3,23 x 3,23 mm², terwijl het toch hoge resolutie behoudt. Hierdoor wordt het mogelijk om neurale activiteit vast te leggen in zowel oppervlakkige als diepe corticale lagen van muizenhersenen.
Het systeem combineert gelijktijdige twee-foton en drie-foton beeldvorming, wat gedetailleerde exploratie van hersengebieden op verschillende diepten mogelijk maakt. In hun studie toonden onderzoekers aan dat DEEPscope volledige corticale kolommen en subcorticale structuren met eencellige resolutie kan visualiseren en meer dan 4.500 neuronen simultaan kan volgen.
