Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Institut für Neurowissenschaften und Medizin in
Jülich
vom 2. bis zum 13. Juli 2018
Von Hendrik Hagedorn und Timon Kampen
Wir, Hendrik Hagedorn und Timon Kampen, haben vom 02.07.2018 bis zum 13.07.2018 ein Praktikum am Institut für Neurowissenschaften und Medizin-2 (INM-2) in Jülich absolviert. Wir haben uns dabei hauptsächlich mit der Neurophysiologie beschäftigt.
Zu Beginn haben wir verschiedene Methoden zur Bildgebung eines Gehirns kennengelernt.
3D-PLI-Aufnahme (Quelle: FZ Jülich)
3D-PLI: Mit dem dreidimensionalen Polarized Light Imaging können Nervenfaserbahnen rekonstruiert werden. Aufgrund der uniaxialen Doppelbrechung der Myelinscheiden außerhalb der Axone kann mit polarisiertem Licht eine sogenannte optische Anisotropie hervorgerufen und somit die Lage und Struktur der Nervenfasern dargestellt werden.
MRT: Die Magnetresonanztomographie, oder auch Kernspintomographie genannt, ermöglicht eine detaillierte Bildgebung aller Organe und Gewebe. Im MRT werden starke Magnetfelder und ungefährliche Radiowellen erzeugt. Alle Atomkerne im Körper verfügen über einen Drehimpuls, den Kernspin. Während sich die Atomkerne um ihre eigene Achse drehen, entsteht ein schwaches Magnetfeld. Durch das starke Magnetfeld im MRT richten sich die Atomkerne im Körper (überwiegend Wasserstoffkerne) in die gleiche Richtung aus. Wenn nun die Radiowellen mit einer bestimmten Frequenz auf die Atomkerne treffen, verändert sich die Ausrichtung dieser Kerne kurzzeitig. Nach dem Radiowellen-Impuls befinden sich die Atomkerne in der Relaxationsphase. Dabei senden die Atomkerne bestimmte Signale aus, die vom Computer erfasst und verarbeitet werden. Die Signale verändern sich mit der Dichte der Wasserstoffatome, sodass verschiedene Strukturen erkennbar werden.
Links: MRT; Rechts: PET; Mitte: MRT + PET (Quelle: FZ Jülich)
PET: Die Positronen-Emissions-Tomographie ist ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin. Sogenannte Tracer werden intravenös in den zu untersuchenden Körper injiziert. In dem Tracer sind Radionuklide enthalten. Diese zerfallen nach kurzer Zeit und es entstehen energiereiche Positronen. Treffen diese auf ein freies Elektron, wird Gammastrahlung freigesetzt und von dem PET-Scanner gemessen. Mit der Positronen-Emissions-Tomographie werden überwiegend Stoffwechselprozesse dargestellt. So kann zum Beispiel die Sauerstoffaufnahme, der Aminosäurestoffwechsel oder die Proteinbiosynthese untersucht werden. Das PET-Verfahren wird überwiegend bei Krebspatienten eingesetzt, da die Krebszellen einen anderen, oftmals stärkeren Stoffwechsel aufweisen und somit im PET genauer lokalisiert werden können.
Ein coronal geschnittenes Rattenhirn (Quelle: Plastics One)
Während unseres Praktikums haben wir erfahren, wie Gehirne im Cryostaten geschnitten werden. Die Schnitte können coronal (von vorne nach hinten), sagittal (von links nach rechts) oder axial erfolgen. Dazu wird das Gehirn, welches in unserem Fall von einer Ratte stammte, mit Hilfe von flüssigem Klebstoff bei ungefähr -15°C an einer Haltevorrichtung im Cryostaten befestigt. Das Gehirn wird automatisch so über ein scharfes Messer geführt, dass ein 20 Mikrometer dünner Schnitt entsteht. Der Schnitt wird vorsichtig auf einen Objektträger übertragen, beschriftet und langsam aufgetaut. Um anschließend eine genaue Analyse durchführen zu können, werden die Schnitte mit verschiedenen Farbstoffen gefärbt. Wir haben eine Nisslfärbung mit Kresylviolett an Cryostatschnitten einer Ratte durchgeführt. Mit dieser Methode werden Zellkörper von Neuronen, Zellkernen und die Nisslschollen (Stapel des rauen endoplasmatischen Reticulums) angefärbt. Dazu werden die Schnitte vorsichtig mit Wasser gespült und dann in das Kresylviolett gestellt. Nach ungefähr 15 Minuten erfolgen mehrere Behandlungen mit Propanol, um dadurch die Schnitte gänzlich zu dehydrieren. Der Restalkohol wird entfernt und die Schnitte werden mit einem speziellen Eindeckmittel und einem Deckglas versehen.
Ein Rattengehirn unter dem Fluoreszenzmikroskop (Quelle: Alexandra Drechsel)
Eine genauere Analyse der Schnitte kann zum Beispiel unter dem Fluoreszenzmikroskop erfolgen. Dabei werden mehrere Färbemittel verwendet und die Schnitte mit UV-Licht bestrahlt. Mit dem Färbemittel DAPI wird zum Beispiel die DNA eingefärbt. Es können jedoch auch Proteine und Aktine sichtbar gemacht werden. Eine Kamera überträgt das Bild auf einen PC, sodass die Aufnahmen direkt bearbeitet und ausgewertet werden können.
Ein Mitarbeiter des INM-1 hat uns das Mikroskopieren eines farblich markierten Neurons nähergebracht. Mit Hilfe einer Glaspipette wird das Neuron, das sich in einem Cryostatschnitt befindet, unter einem Elektronenmikroskop leicht angesaugt und gefärbt. Unter einem weiteren, stark vergrößernden Mikroskop lassen sich anschließend feinste Strukturen des Neurons erkennen. Dank der hohen Auflösung kann man auch die sogenannten „dendriticspikes“ oder „Dornenfortsätze“ am Dendriten erkennen. So lassen sich Axon und Dendrit voneinander unterscheiden. Zellkörper, Dendriten und Axone werden manuell in einer Software gekennzeichnet, sodass eine dreidimensionale Abbildung des zu untersuchenden Neurons entsteht. Mit dieser können Aussagen über das Wachstum und den Aufbau des Neurons gemacht werden.
Ein Neuron unter einem Mikroskop
An unserem letzten Tag haben wir eine Ratte sezieren dürfen. Die Ratten stammten aus der forschungseigenen Zucht. Dafür wird zu Beginn das Fell bzw. die Haut mit einem Skalpell entfernt. Mit einer Schere lässt sich anschließend der Bauchraum öffnen, sodass die Organe freiliegen und untersucht werden können. Auffallend waren dabei die enormen Ähnlichkeiten bezüglich des Aufbaus der Organe zum Menschen. Außerdem hat uns eine Mitarbeiterin des INM-2 menschliche Gehirne gezeigt und erläutert. Dies hat uns besonders interessiert.
Auf dem rund 220 Hektar großen Gelände des Forschungszentrums haben wir viele Institute kennengelernt. Durch die enormen Ausmaße des Instituts war es uns in der begrenzten Zeit jedoch nicht möglich, alle Abteilungen mit all ihren Spezialisierungen kennenzulernen. Die zahlreichen Wissenschaftler aus vielen verschiedenen Nationen sorgten für eine angenehme, lockere Arbeitsatmosphäre. Ohne Probleme war es möglich, mit ihnen in ein Gespräch zu kommen, um beispielsweise zu erfahren, wie sie selbst zu diesem Beruf gekommen sind oder woran sie aktuell forschen.
Neben dem hauseigenen 3 Tesla MRT
Wir sind in einer räumlich großzügigen Wohnung des Gästehauses des Forschungszentrums untergekommen. Die Wohnung bietet mit einer Küche, einem Balkon und Internet alles, um einen angenehmen Aufenthalt zu gewährleisten. Auch ein sehr moderner Gemeinschaftsraum mit Sitzbereichen und einem Fernseher stehen den Bewohnern aller Etagen zur Verfügung. Dieser Ort war abends häufig der Treffpunkt, um sich über die Geschehnisse des Tages auszutauschen oder das Wochenende zusammen zu planen. Das Gästehaus liegt zentral in der Stadt Jülich, sodass wir den Barmer See und das Jülicher Freibad in unserer Freizeit schnell mit dem Fahrrad erreichen konnten. Die Sophienhöhe, ein Kohletagebau, war ein weiteres beliebtes Tagesziel.
Abschließend möchten wir uns bei den Auricher Wissenschaftstagen, dem Ulricianum Aurich und unseren Betreuern für diese einmalige Erfahrung bedanken.