De hersenen beter in beeld - neurale paden zichtbaar gemaakt
NATUURKUNDE
Om te weten hoe hersenen werken, is het essentieel om ze goed in kaart te brengen. Dat blijkt mogelijk met een microscopietechniek waarin Leidse natuurkundigen uitblinken. Deze Amerikaans-Nederlandse doorbraak kan de menselijke zoektocht naar het begrip van hersenfuncties aanzienlijk vooruithelpen.
Hoe stroomt informatie door de hersenen? Om dat te begrijpen proberen onderzoekers de hersenen in kaart te brengen, van kleine netwerken van cellen tot het hele zenuwstelsel. Zo hoopt men niet alleen inzicht te krijgen in de werking van onze hersenen, maar ook begrip te krijgen voor mogelijke afwijkingen. Bijvoorbeeld als verbindingen tussen cellen verstoord raken bij ziektes.
De onderzoeksgroep van hoogleraar Sense Jan van der Molen gebruikt een microscoop die laat zien hoe hersenstructuur is opgebouwd. Dat gaat tot op het niveau van een synaps, de kleine verbinding waar één neuron communiceert met een andere cel.
Introductie van de PEEM-microscoop in hersenonderzoek
Een gezamenlijk Chicago-Leids project introduceert de Photoemission Electron Microscopy (PEEM) als nieuw instrument voor het in beeld brengen van hersenweefsel. De PEEM gebruikt het foto-elektrisch effect om afbeeldingen te creëren van geselecteerde materialen. De onderzoekers pasten de techniek toe op ultradunne sneden van een muizenbrein.
De microscoop maakte afbeeldingen met hoge resolutie, sneller en goedkoper dan met gangbare beeldvormingstechnieken zoals transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) of scanning-elektronenmicroscopie (SEM). Als een opeenvolgende reeks dunne sneden is gefotografeerd, kan een 3D-model van dit hersendeel worden gereconstrueerd.
Tuesday Talk - Microscopy reinvented: peeking into living worlds
Op 9 december 2025 geeft prof. Sense Jan van der Molen een Tuesday Talk over zijn onderzoek.
Snellere en goedkopere 3D-beeldvorming
Hersenonderzoek zoals dit wordt al lange tijd belemmerd door trage, dure en technisch veeleisende beeldvormingsmethoden. In deze proof-of-concept studie verandert PEEM echter het speelveld. Vergeleken met traditionele elektronenmicroscopie, verlaagt het zowel de kosten als de technische barrières.
‘Bij de huidige beeldresolutie – 20 nanometer – kunnen we synapsen al identificeren. Dat zijn de plekken waar elektrische of chemische signalen van het ene neuron naar het andere gaan’, legt Van der Molen uit. ‘Onze nieuwe methode opent de deur naar grootschalig hersenonderzoek in de nabije toekomst. De uitdaging daarbij is om zo snel mogelijk zo goed mogelijke afbeeldingen te maken.’
Optimaliseren van resolutie en monsters
Een ander positief resultaat is dat PEEM-afbeeldingen verder kunnen worden verbeterd — zowel qua resolutie als contrast - door monsters te prepareren op manieren die optimaal zijn voor de PEEM-techniek. In de komende jaren zet het team de samenwerking met de onderzoekers uit Chicago voort. De nieuwe Leidse postdoc Simona Borrelli maakt komende tijd afbeeldingen met een verbeterde PEEM-microscoop, die nog scherpere beelden maakt.
Een katalysator voor multidisciplinaire ontdekkingen
Het lab van Van der Molen werkt al jaren aan het ontwikkelen van geavanceerde microscopie voor grensverleggend fundamenteel onderzoek. Van der Molen: ‘Het potentieel van het combineren van PEEM en gerelateerde technieken met onderzoek in de fysische, chemische en biomedische wetenschap is enorm’.
Proceedings of the National Academy of Sciences
Photoemission electron microscopy for connectomics
Auteurs: Gregg Wildenberg, Kevin M. Boergens, Amin Moradi, Rudolf Tromp, Sense Jan van der Molen, et al.
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521349122