Winfried Denk und drei Kollegen erhalten den Brain Prize

Eine Million Euro für die Erfindung und Anwendung des Zwei-Photonen-Mikroskops

9. März 2015

Um den Aufbau und die Funktion des Gehirns wirklich zu verstehen, müssen einzelne Nervenzellen und ihre Aktivitäten sichtbar gemacht werden. Solche Einblicke sind heute dank der 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie möglich, die Winfried Denk, Direktor am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried bei München, erfunden und erstmals in der Neurobiologie angewandt hat. Zusammen mit Arthur Konnerth, Karel Svoboda und David Tank wird ihm dafür der mit einer Million Euro dotierte Brain Prize verliehen. Der Wissenschaftspreis ist eine der weltweit höchsten Auszeichnungen und würdigt herausragende Leistungen aktiver Neurowissenschaftler. Der Preis wird den Wissenschaftlern am 7. Mai in Kopenhagen von seiner königlichen Hoheit, dem Kronprinzen Frederik von Dänemark überreicht.

Winfried Denk und drei Kollegen erhalten den Brain Prize für die Erfindung und Anwendung der Zwei-Photonen-Mikroskopie

Lernen, Denken, Fühlen, aber auch Krankheiten und Stoffwechselvorgänge beruhen auf Vorgängen und Veränderungen auf molekularer und zellulärer Ebene. Um solche und andere biologischen Prozesse zu verstehen, müssen sie dort untersucht werden, wo sie stattfinden – eingebettet in das sie umgebende Gewebe. Das ist nur mit der optischen Mikroskopie möglich, die Vorgänge auch im lebenden Gewebe hochauflösend darstellen kann. Kein Wunder, dass Lichtmikroskope daher bereits seit dem frühen 17. Jahrhundert ein fester Bestandteil der medizinischen und naturwissenschaftlichen Forschung sind. Die Entwicklung fluoreszierender Farbstoffe hat die Fluoreszenzmikroskopie zu einer der wichtigsten Technologien heutiger biomedizinischer Forschung gemacht. Mit diesen Farbstoffen werden einzelne Zellen, ihre Bestandteile, oder bestimmte Zellvorgänge unter dem Fluoreszenzmikroskop sichtbar.

Die Mikroskopie mit Multiphotonen-Fluoreszenzanregung erfanden Winfried Denk, Jim Strickler und Watt Webb in den späten 1980er Jahren [1]. Zusammen mit seinem Kollegen am Bell Labs (USA), darunter auch die Kopreisträger David Tank und Karel Svoboda, begann Winfried Denk das Multiphotonenmikroskop auf Fragestellungen in der Neurobiologie anzuwenden. Auch andere Wissenschaftler griffen die damals brandneue Methode für die Hirnforschung auf – der Kopreisträger Arthur Konnerth war darunter einer der ersten und erfolgreichsten. Heute ist die Multiquantenmikroskopie, häufig in Form der 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie, aus kaum einem biologisch-medizinischen Forschungslabor mehr wegzudenken. Sie hat die Forschung mit Hilfe bildgebender Verfahren revolutioniert, da sie erstmals Beobachtungen tief in streuendem (Hirn)Gewebe und auch über lange Zeiträume hinweg ermöglicht. Dank dieser Mikroskope werden Gewebsschichten und biologische Prozesse sichtbar, die sonst für die wissenschaftliche Forschung unerreichbar blieben. Für die Entwicklung und Anwendung der 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie und die durch sie möglichen Einblicke in die Hirnfunktionen, erhalten die vier Wissenschaftler den Brain Prize 2015.

Die 2-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie

Das Verfahren nutzt das Zusammenspiel von zwei Licht-Teilchen (Photonen) die, wenn sie gleichzeitig am Ort eines Fluoreszenzmoleküls eintreffen, manchmal ihre Quantenenergie kombinieren und das Molekül quasi in "gemeinsamer Anstrengung" anregen. Dieser Effekt macht es möglich, langwelliges Licht (rot oder infrarot) für die Untersuchungen zu verwenden, das sehr viel schonender für das betrachtete Gewebe ist als das sonst verwendete kurzwellige, hoch-energetische Licht (blau oder ultraviolett). Bei langen Wellenlängen ist zudem die Lichtstreuung, die zum Beispiel im Gehirngewebe auftritt und normalen Lichtmikroskopen Probleme bereitet, deutlich verringert. Dies führt zu einer verbesserten Eindringtiefe der 2-Photonen-Mikroskopie: Statt der zuvor erreichten 50-80 µm können mit diesem Verfahren Strukturen untersucht werden, die zum Teil bis zu 1000 µm (1mm) tief im Gewebe liegen.

Winfried Denk

Winfried Denk wurde 1957 in München geboren und studierte Physik an der Ludwig Maximilians Universität und an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich. Für seine Doktorarbeit ging er an die Cornell University nach Ithaca (USA). Im Anschluss forschte Winfried Denk am IBM Research Lab in Rüschlikon (Schweiz). Ab 1991 leitete er eine unabhängige Arbeitsgruppe an den Bell Laboratories in Murray Hill (USA). 1999 wurde er zum Direktor am Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg berufen. Seit 2011 ist Winfried Denk Direktor am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried.

Winfried Denk erhielt zahlreiche Auszeichnungen, darunter 1998 der Young Investigator Award of the Biophysical Society, 2000 der Rank Prize for Opto-Electronics, 2003 der Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 2012 der Kavli-Preis und 2014 der von der Brandeis Universität verliehenen Rosenstiel Preis. 2013 wurde er zum auswärtigen Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften (NAS, USA) und 2014 zum Mitglied der European Molecular Biology Organization (EMBO) ernannt.

In letzter Zeit hat sich der Fokus von Winfried Denks wissenschaftlichen Arbeiten vom Beobachten von Hirnaktivität auf das Entschlüsseln von Hirnschaltplänen verlagert. Zu diesem Zweck entwickelte er das „serial blockface electron microscope“ und nutzte es, um alle Nervenzellen und ihre Verbindungen in einem Stück der Netzhaut der Maus zu kartieren [2]. Eine herausragende Kombination aus Bildgebung und Datenanalyse, die neue Zellen und unbekannte Schaltmuster der Nervenzellen ans Licht brachte (siehe Forschungsnachricht "Das Gehirn mit all seinen Nervenzellen und Verbindungen"). 

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