Paul-Flechsig-Institut für Hirnforschung
 Universitätsmedizin Leipzig

Ein umfassendes mikrostrukturelles Connectom des menschlichen Gehirns (COMIC): Von langen Nervenfasern zu kurzen Assoziationsfasern

In diesem von der DFG finanzierten Projekt werden leitende Wissenschaftler und ihre Teams aus drei verschiedenen Institutionen (MPI-CBS, UKE, PFI) eng zusammenarbeiten, um Modelle, Methoden und Techniken zu entwickeln, um eine bessere Karte des menschlichen mikrostrukturellen Konnektoms zu erstellen.

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Abbildung: Dieses interdisziplinäre Projekt kombiniert drei Arbeitspakete, um Informationen aus der in vivo- und ex vivo-MRT mit fortschrittlicher Histologie zu integrieren und ein lebenslanges umfassendes mikrostrukturelles Konnektom zu generieren. Im ersten Arbeitspaket (WP1) wird ein neuroanatomisches Konnektom aus kurzen Assoziationsfasern mittels ex vivo-Histologie konstruiert. Im zweiten Arbeitspaket (WP2) werden neuartige biophysikalische Modelle für kurze Assoziationsfasern entwickelt. Im dritten Arbeitspaket (WP3) wird ein umfassendes menschliches mikrostrukturelles Konnektom über die gesamte Lebensspanne eines Erwachsenen generiert

Hintergrund

Der menschliche Neokortex ist in spezialisierten Regionen organisiert, die in synchronisierte Netzwerke integriert sind, die durch Assoziationsfasern mit langer und kurzer Reichweite verbunden sind. Die mikrostrukturelle Zusammensetzung der Fasern optimiert die Kommunikationsgeschwindigkeit innerhalb der physikalischen Stoffwechselgrenzen. Diese Verbindungen, ihre mikrostrukturellen Eigenschaften (z.B. Axondurchmesser und ihre Myelinisierung) und ihre Wechselwirkungen können als mikrostrukturelles Konnektom zusammengefasst werden. Die meisten aktuellen Schätzungen des menschlichen Strukturkonnektoms basieren auf diffusionsgewichteter Magnetresonanztomographie (DWI) und leiden unter Unvollständigkeit und methodenbezogenen Verzerrungen. Insbesondere kurze Assoziationsverbindungen, die in "small world" ähnlichen Hirnnetzwerken eine zentrale Rolle spielen, sind unterrepräsentiert. In der ersten Förderperiode haben wir ein menschliches mikrostrukturelles Konnektom generiert, indem wir mikrostrukturelle Informationen entlang der Langstreckenfasern projiziert haben. Die kurzen kortiko-kortikale Verbindungen (einschließlich U-Fasern) sind jedoch in aktuellen Konnektomen unterrepräsentiert. 

Ziel

In diesem Projekt werden wir das umfassendste mikrostrukturelle Konnektom des Menschen über die gesamte Lebensspanne eines Erwachsenen hinweg generieren, indem wir zusätzlich die kurzen kortiko-kortikalen Fasern und ihre mikrostrukturellen Eigenschaften einbeziehen.

Methoden

Zu diesem Zweck werden wir einen leistungsstarken multidisziplinären Ansatz verwenden, der auf drei Säulen basiert (Abbildung). Die erste Säule (WP1) untersucht die mikrostrukturelle Zusammensetzung, Länge und Form von kurzen Assoziationsfasern mithilfe einer fortschrittlichen ex vivo Histologie mit hochauflösender Bildgebung in großem Maßstab in zwei spezifischen Hirnnetzwerken, dem visuellen und dem sensorisch-motorischen System. Die zweite Säule (WP2) bietet Deep-Learning-Tools, mit denen mikrostrukturelle Informationen (z. B. Verteilung von Axondurchmessern oder axonalen g-Verhältnissen) aus hochauflösenden Mikroskopbildern in großem Maßstab (WP1) quantifiziert werden können. Darüber hinaus werden biophysikalische Modelle (WP2) entwickelt, die durch die oben genannten quantifizierten histologischen mikrostrukturellen Informationen validiert und informiert werden. Schließlich werden robuste Methoden zur Traktographie von Kurz- und Langstreckenfasern implementiert, die auf in vivo und ex vivo MRT basieren. Die letzte Säule (WP3) verwendet die neu entwickelten Methoden, um mikrostrukturelle Informationen über kurz- und langstreckigen Fasern aus der in vivo MRT innerhalb einer Kohorte gesunder Probanden über die gesamte Lebensspanne eines Erwachsenen hinweg zuverlässig abzuschätzen.

Einfluss

Dadurch entsteht ein umfassendes Konnektom über die gesamte Lebensspanne, das zum ersten Mal sowohl kurzkortiko-kortikale als auch langreichweitige Verbindungen zusammen mit ihren mikrostrukturellen Informationen enthält. Zusätzlich werden intrakortikale mikrostrukturelle Maßnahmen abgeleitet und integriert, die auf etablierten kortikalen Myelin- und Eisenkartierungsansätzen basieren.

Stellen

Wir suchen interessierte Doktoranden mit einem Hintergrund in Neurowissenschaften, Biologie, Physik und/oder Bildanalyse, um unser interdisziplinäres Team zu ergänzen und an einem der oben beschriebenen Projekte zu arbeiten. Je nachdem, wo Sie sich in diesem Projekt befinden (siehe Abbildung), können Sie sich direkt an den jeweiligen PI wenden, um mehr über die Doktorandenstelle zu erfahren.

Kontakt

Prof. Dr. Markus Morawski (WP1)

Dr. Evgeniya Kirilina (WP2)

Dr. Siawoosh Mohammadi (WP2)

Prof. Dr. Nikolaus Weiskopf (WP3)

Arbeitsgruppe


Kooperationspartner



Förderung

 
Letzte Änderung: 02.03.2021, 10:31 Uhr
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