Kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS) Anwendung zur Bildgebung der Myelinisierung in Gehirnschnitten

Aktionspotentiale sind die grundlegende Informationseinheit im Gehirn, und die Ausbreitung des Aktionspotentials durch Axone bildet eine Säule der Informationsverarbeitung ^1,2,3. Neuronen erhalten typischerweise afferente Eingaben von mehreren anderen Neuronen und integrieren diese Eingaben innerhalb eines bestimmten engen Zeitfensters ^4,5. Daher haben die Mechanismen der potenziellen Ausbreitung von Axonen eine signifikante Aufmerksamkeit von Forschern erhalten.

Bei der Ausbreitung durch ein Axon wird ein Aktionspotential wiederholt entlang des Axons regeneriert, um eine zuverlässige Ausbreitung^{zu gewährleisten 6}. In den meisten Neuronen von Kieferwirbeltieren (Gnathostomen) sind die Axone von einer Hülle aus Myelin umgeben, einer lipidreichen Substanz, die von nahe gelegenen Oligodendrozyten oder Schwann-Zellen produziert wird, die Arten von Gliazellen sind (überprüft in ^7,8). Diese Myelinhülle isoliert das Axon elektrisch, reduziert seine Kapazität und ermöglicht eine effiziente, schnelle und mit geringerem Energieverbrauch ausbreitende Ausbreitung des Aktionspotentials. Myelin bedeckt das Axon nicht gleichmäßig, aber es umhüllt das Axon in Segmente, die kurze Lücken zwischen ihnen haben, die sogenannten Knoten von Ranvier (überprüft in ^9,10). Sowohl die Myelinisierungsdicke, die das Niveau der elektrischen Isolierung eines Axons steuert, als auch der Abstand der Knoten von Ranvier, die die Frequenz steuern, mit der Aktionspotentiale entlang eines Axons regeneriert werden, beeinflussen die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Aktionspotentials (überprüft in¹¹).

Es gibt eine große Menge an Literatur, die darauf hindeutet, dass die Myelinisierungsdicke die Geschwindigkeit der Aktionspotentialausbreitung in den Axonen^{beeinflusst 12,13,14}. Darüber hinaus können Veränderungen in der Axonmyelinisierung zu einer Reihe von ZNS-Defiziten^führen 15,16,17,18,19,20,21. Es ist daher nicht verwunderlich, dass der Schwerpunkt vieler Forschungsbemühungen auf der Messung und Charakterisierung der Axonmyelinisierung liegt. Messungen der Myelindicke wurden am häufigsten mit Elektronenmikroskopie durchgeführt, einer Technik, die eine erhebliche Menge an Gewebevorbereitung erfordert und in Kombination mit Immunhistochemie schwierig zu verwenden ist. Es gibt jedoch auch eine schnellere und einfachere Technik zur Messung der Axonmyelinisierung, die auf der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS) basiert. Ein CARS-Laser kann auf verschiedene Frequenzen abgestimmt werden, und wenn er auf Frequenzen abgestimmt ist, die geeignet sind, Lipide anzuregen, kann Myelin ohne zusätzliche Markierungen abgebildet werden²². Die Lipidbildgebung kann mit der Standard-Immunhistochemie kombiniert werden, so dass Lipide zusammen mit mehreren Fluoreszenzkanälen abgebildet werden können²³. Die Bildgebung der Myelinisierung mit CARS ist signifikant schneller als die Elektronenmikroskopie und hat eine Auflösung, die, wenn auch niedriger als EM, ausreicht, um selbst kleine Unterschiede in der Myelinisierung in der gleichen Art von Axonen zu erkennen.