Licht ins Gehirn bringen: Neue Bildgebungstechnologie für die Neurowissenschaft

Ein europäisches Forschungsteam aus Deutschland, Tschechien und Belgien entwickelt eine neuartige Bildgebungstechnologie, um neuronale Prozesse in lebenden Organismen mit hoher Präzision sichtbar zu machen. Das Projekt NEUROGATE setzt auf ein holografisches Endoskop, das mit Hilfe einer haarfeinen optischen Faser tief ins Gehirn blickt – minimalinvasiv und mit subzellulärer Auflösung. Der European Innovation Council (EIC) fördert die Weiterentwicklung dieser Technologie mit 2,5 Millionen Euro, um sie für biomedizinische Anwendungen zu testen.

Licht ins Gehirn bringen
Das holografische Endoskop basiert auf einer multimodalen optischen Faser, die dünner ist als ein menschliches Haar. Es ermöglicht die Langzeit-Beobachtung neuronaler Schaltkreise in tiefen Hirnregionen – selbst bei frei beweglichen Organismen. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Erforschung von neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer oder Epilepsie und könnte zur Entwicklung innovativer Diagnose- und Therapieansätze beitragen. „Diese Technologie markiert einen Wendepunkt in der Neurowissenschaft“, sagt Prof. Dr. Tomáš Čižmár, Forschungsabteilungsleiter am Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und Professor an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Mit NEUROGATE bringen wir sie auf den nächsten Entwicklungsstand, um neuronale Aktivität unter natürlichen Bedingungen mit bisher unerreichter Präzision zu untersuchen. Diese Erkenntnisse könnten unser Verständnis neurologischer Erkrankungen erheblich erweitern.“

Seit 2017 entwickelt Čižmár die Technologie holographischer Endoskope parallel am Leibniz-IPHT, der Uni Jena und am Institut für wissenschaftliche Instrumente der Tschechischen Akademie der Wissenschaften (ISI) in Brünn. 2024 wurde seine Arbeit mit zwei bedeutenden Auszeichnungen gewürdigt: dem Preis des tschechischen Bildungsministers und dem Life-Sciences-Preis der Europäischen Gesellschaft für Mikroskopie.

Technologietransfer: Das Start-up DeepEn
Ein zentraler Partner des Projekts ist das Jenaer Start-up DeepEn, das die Kommerzialisierung der Technologie vorantreibt. Das Unternehmen wurde 2024 von Mitgliedern aus Čižmárs Gruppe am Leibniz-IPHT ausgegründet. Im selben Jahr wurde DeepEn mit dem Sonderpreis für junge Unternehmen beim Thüringer Innovationspreis ausgezeichnet. „Unser Ziel ist es, wissenschaftliche Durchbrüche in marktfähige Anwendungen zu überführen“, erklärt Sergey Turtaev, CEO von DeepEn. „Die holografische Endoskopie hat das Potenzial, die biomedizinische Forschung grundlegend zu verändern – und NEUROGATE bringt uns diesem Ziel einen großen Schritt näher.“

Internationale Zusammenarbeit für biomedizinische Innovation
In Kooperation mit dem Leibniz-IPHT und DeepEn sind zwei weitere Partner an NEUROGATE beteiligt: das Institut für Wissenschaftliche Instrumente der Tschechischen Akademie der Wissenschaften (ISI) in Brünn und das Neuro-Electronics Research Flanders (NERF) in Belgien. Das interdisziplinäre Forschungszentrum für Neurotechnologie wird getragen von der Firma imec, dem Institut für Biowissenschaften VIB und der Katholischen Universität Leuven. Dr. Hana Uhlirova, die die Aktivitäten des ISI leitet, betont: „Dieses Projekt gibt uns die Möglichkeit, die Technologie unter realen Bedingungen zu testen und entscheidende Fortschritte in den Neurowissenschaften zu erzielen.“ Prof. Sebastian Haesler vom NERF ergänzt: „Wir freuen uns, unsere Expertise in der Weiterentwicklung neurotechnologischer Anwendungen einzubringen, um das Gehirn besser zu verstehen und neue Therapieansätze für neurologische Erkrankungen zu entwickeln.“

Von der Grundlagenforschung zur Anwendung
Ziel von NEUROGATE ist es, die Technologie auf Technology Readiness Level 6 (TRL6) zu bringen – also unter realitätsnahen Bedingungen zu validieren. Dies ist ein entscheidender Schritt, um den Einsatz in der biomedizinischen Forschung und später in klinischen Anwendungen vorzubereiten. Das Projekt baut auf den erfolgreichen ERC-Proof-of-Concept-Förderungen von Čižmár am Leibniz-IPHT und am ISI auf. Während WOKEGATE (Leibniz-IPHT) die Entwicklung ultrafeiner Endoskope zur Untersuchung neuronaler Netzwerke ermöglichte, zeigte STROKEGATE (ISI), wie diese Technologie zur Analyse der Auswirkungen von Schlaganfällen auf das Gehirn genutzt werden kann. Das Konsortium schätzt den Markt für holographische Endoskope auf mehr als 850 Millionen Euro. Die Technologie könnte die Diagnose und Behandlung neurologischer Erkrankungen grundlegend verändern.
„Mit NEUROGATE demonstrieren wir, wie Grundlagenforschung und Technologietransfer ineinandergreifen, um Lösungen für gesellschaftlich relevante Herausforderungen zu entwickeln“, so Prof. Čižmár.

Verfasserin: Lavinia Meier-Ewert
Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Prof. Dr. Tomáš Čižmár, Universität Jena

Bilderquelle: © Teeradej