Alle komplexen Systeme bestehen aus grundlegenden Bausteinen, die die Basisfunktionen, Prozesse und Verbindungen bilden. Die scheinbar unendliche Fähigkeit des Gehirns, eine breite Palette von Fähigkeiten von der Sprache bis zur Sinneswahrnehmung auszuführen, ist nicht anders: Die Nervenzelle und die synaptische Verbindung sind die elementaren Einheiten, auf denen die gesamte Gehirnaktivität aufgebaut ist.
Wie verarbeitet das Gehirn sensorische Informationen?
Die neuronalen Grundlagen der Wahrnehmung zu erforschen, ist das Ziel der Forschungsarbeiten im Adesnik-Labor, das zum Fachbereich Molekular- und Zellbiologie der University of California, Berkeley, gehört. Der Leiter der Gruppe, Hillel Adesnik, erklärt: "Wir wollen genau verstehen, wie Mikroschaltkreise im Gehirn sensorische Informationen verarbeiten, um das Verhalten zu steuern. Während in jahrzehntelanger Forschung sorgfältig beschrieben wurde, wie einzelne Neuronen bestimmte Merkmale aus der sensorischen Umgebung extrahieren, sind die zellulären und synaptischen Mechanismen, die es Ensembles von kortikalen Neuronen ermöglichen, sensorische Informationen tatsächlich zu verarbeiten und Wahrnehmungen zu erzeugen, weitgehend unbekannt."
In ihrer Arbeit manipulieren und überwachen die Forscher des Adesnik-Labors Neuronen in wachen Mäusen, um ein umfassenderes Verständnis dafür zu erlangen, wie neuronale Schaltkreise im menschlichen Gehirn Empfindungen, Kognition und Handeln unterstützen. Das Labor entwickelte neuartige optische Bildgebungsverfahren, bei denen ein Glasfenster in das Gehirn der Mäuse implantiert werden muss, damit sich das Licht ausbreiten kann.
Prototyping von Glas-Deckgläsern mit Laser-Mikrobearbeitung
Zwar gibt es Deckgläser zu kaufen, doch die Wissenschaftler des Adesnik-Labors wollten einen Prototyp entwickeln, der die Möglichkeiten zur aktiven Interaktion mit dem Mäusegehirn erweitert. Sie stellten sich Löcher im Substrat für den Zugang zu Medikamenten und Elektroden vor, um die Interaktion mit Rezeptoren zu messen und Farbstoffe hinzuzufügen, um die Aktivität der Neuronen zu messen.
Die Bestimmung eines Gleichgewichts zwischen Größe und Form war ein wichtiger Teil der Forschungsarbeit. "Anfänglich versuchten wir es mit mechanischen Verfahren, die in unserem Fachbereich leicht zu finden sind", sagt Professor Adesnik. "Aber das war für unsere Forschungsstandards viel zu unzuverlässig. Es war schwierig, die genaue Größe der Löcher zu reproduzieren, die einen Kreis mit einem Durchmesser von nur 250 Mikrometern oder die Form eines Quadrats haben konnten, und zu große Löcher waren ein Problem, da die Mobilität der Mäuse zu einer Instabilität der Aufnahmeplattform führte."
Noch wichtiger war, dass die mechanischen Methoden die genaue Position des Lochs nicht genau bestimmen konnten, um bestimmte Bereiche des Gehirns zu erreichen, die die Gruppe erreichen wollte. Potomac verfügte nicht nur über das Know-how, Glas ohne Risse zu schneiden, sondern auch über Erfahrung mit hochpräzisen Bearbeitungsmethoden, mit denen die Löcher genau dort platziert werden konnten, wo die Forscher sie benötigten. Darüber hinaus ermöglicht das digitale Computer-Aided-Design Variationen der Entwürfe, die in der Software leicht geändert werden können, wodurch der iterative Prototyping-Prozess beschleunigt wird.
Wie viele andere wissenschaftliche Grundlagenforschungen hofft auch das Adesnik-Labor, zum grundlegenden Verständnis der Funktionsweise des Gehirns beizutragen. Noch wichtiger ist jedoch, dass die in diesen Studien gesammelten Informationen die Behandlung neurologischer Krankheiten wie Autismus, Schizophrenie und Epilepsie, die den Menschen zu schaffen machen, verbessern könnten.
