Paul-Flechsig-Institut für Hirnforschung
 Universitätsmedizin Leipzig

Mikrostrukturelle Konnektivität des menschlichen Gehirns: Computergestützte Modellierung und Validierung mit Histologie und CLARITY

Nur etwa 10% der Axone im Zentralnervensystem sind lange Faserbahnen. Ihre Anordnung, Länge und Mikrostruktur ist jedoch von großer Bedeutung für die funktionelle Organisation, da diese Parameter die Informationsausbreitung im Gehirn bestimmen. Vor allem ein Parameter ist von großer Bedeutung für die Leitungsgeschwindigkeit in einem Netzwerk: die g-Ratio, das Verhältnis von Durchmesser eines Axons zu Durchmesser von Axon und Myelinscheide. Bislang ist auf diffusionsgewichteter Magnetresonanztomographie (dMRT) basierende Traktographie die einzige Möglichkeit, lange Faserbahnen im lebenden Gehirn (in vivo) strukturell darzustellen.

Außerdem ist die Beziehung zwischen Diffusionsrichtung und Verlaufsrichtung der Fasern ein schlecht dargestelltes mathematisches Problem: Traktographiealgorithmen können Fasern falsch rekonstruieren und anatomisch falsch-positive Resultate erzielen. Zur Lösung dieses Problems wurde eine neue Methode vorgeschlagen: Mikrostruktur-informierten Traktographie (MIT), eine neue computergestützte Theorie, welche mit dMRT berechnete Faserverbindungen mit ihren mikrostrukturellen Eigenschaften (z.B. Durchmesser oder Dichte von Axonen) in Beziehung setzt. Die Methode ist jedoch stark fehlerbehaftet: (i) MIT verwendet biophysikalische Modelle, die bislang vergeblich versuchen, das Problem der Beziehung zwischen makroskopischem MRT-Signal und mikroskopischen Gewebeeigenschaften zu lösen, (ii) MIT benötigt einen großen Signal-Rausch-Abstand mit geringer räumlicher Auflösung und als Folge einer Zunahme der Anzahl der Voxel mit unklarer Faserrichtung, (iii) MIT basiert auf der fragwürdigen anatomischen Hypothese, dass zwei benachbarte Faserbahnen bezüglich ihrer Architektur innerhalb der Bahn geringere Variabilität aufweisen als zwischen den Bahnen. In diesem interdisziplinären Antrag planen wir (i) die Entwicklung einer neuen MIT-Theorie mit multimodaler MRT von bislang unerreichter räumlicher Auflösung (660 Mikrometer) zur Verbesserung der Modellabschätzung des menschlichen strukturellen Konnektoms und seiner mikrostrukturellen Metrik (Myelindichte, Axondichte, g-Ratio und Axondurchmesser), (ii) den Aufbau einer neuartigen ex vivo-Histologie mit kombinierter Ultramikrotomie und CLARITY zur Validierung, (iii) die Zusammenführung von Histologie und MRT zur Validierung des Modells an zentralen Kreuzungspunkten langer Faserbahnen im Netzwerk der Willkürmotorik des Menschen. Durch die Kombination von multimodalen biophysikalischen Modellen, fortschrittlicher MRT-Technologie (die deutschlandweit einzigartige Kombination eines CONNECTOM- und 7T-MRT-Systems) und neuen histologischen Techniken erwarten wir einen Paradigmenwechsel im Bereich MRT-gestützter Computermodelle für in vivo Traktographie im menschlichen Gehirn.

SPP 2041

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Letzte Änderung: 11.06.2018, 14:42 Uhr
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