Farbcodierte Nervenfaserrichtungen im Gehirnschnitt, erhalten durch optische Streubildgebung (SLI, links) und Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS, rechts). Bildnachweis: TU Delft
Die dispersive Lichtbildgebung (SLI) bietet eine kostengünstige, hochauflösende Methode zur Abbildung neuronaler Verbindungen im Gehirn. Diese Technik, bei der Lichtstreuungsmuster in dünnen Schnitten des Gehirns analysiert werden, liefert detailliertere Ergebnisse als aktuelle Methoden wie dMRT und ist zugänglicher und schneller als SAXS.
Die Entwirrung des komplexen Netzwerks von Nervenfasern im Gehirn wird durch streuende optische Bildgebung (SLI) möglich: Forscher in Delft und Jülich (Deutschland) und Stanford (USA) haben erfolgreich Röntgenlichtstreuung mit MRT kombiniert, um auch Nervenfaserbahnen zu charakterisieren B. in Bereichen mit stark verflochtenen Fasern. SLI enthüllte Spuren bis ins kleinste Detail und war dabei viel schneller und kostengünstiger als Röntgen- und MRT-Techniken. Diese detaillierte Kartierung ist wichtig für ein besseres Verständnis der Verbindung von Nervenfasern im Gehirn.
Bahnen im Gehirn
Verschiedene Regionen des Gehirns sind durch Milliarden von Nervenfasern miteinander verbunden. Diese Verbindungen sind für die ordnungsgemäße Gehirnfunktion unerlässlich. Die Suche nach einer umfassenden Karte aller Nervenverbindungen hängt entscheidend von bildgebenden Verfahren ab, die diese meist nur einen Mikrometer dicken Fasern entwirren können. Eine besondere Herausforderung stellen Bereiche mit sehr dicht verflochtenen Nervenfasern dar. Miriam Menzel, Assistenzprofessorin am Department of Imaging Physics der TU Delft, entwickelte die SLI-Technik, um solche Fibrillenkonstellationen zu untersuchen: „Wir strahlen Licht aus verschiedenen Winkeln durch haardünne Gehirnschnitte und analysieren die resultierenden Streumuster. Wir nehmen nicht.“ ein Bild von Neuronen oder Synapsen. Wir wollen wissen, wie sie verschaltet sind. Das ist wichtig für das Verständnis von Gehirnfunktionen und -störungen.“
Leichter zugänglich, günstiger und schneller
Die Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) ist eine in der Materialwissenschaft etablierte Methode zur Untersuchung der Organisation verschiedener Strukturen mithilfe des Synchrotrons, während die Diffusions-Magnetresonanztomographie (dMRT) in Kliniken eine wichtige Technik zur Visualisierung der drei Strukturen darstellt. dimensionales Nervenfasernetzwerk im Gehirn. „Wir haben nun gezeigt, dass SLI-Daten mit denen von SAXS und dMRT in den untersuchten Hirnschnitten übereinstimmen, aber SLI bietet eine höhere Auflösung als dMRT und ist zugänglicher, billiger und schneller als andere Techniken. Das ist ein wichtiger Meilenstein“, sagt Menzel: Wir können SLI-Messungen mit einer einfachen LED-Lichtquelle und einer Kamera in wenigen Sekunden durchführen, und es ist weder ein Millionen-Synchrotronscanner noch ein MRT-Scanner erforderlich. Als tragbares System kann es problemlos in Pathologielaboren aufgestellt werden, um die klinische Forschung zu unterstützen.“
mikroskopische Auflösung
Menzel hat sich in den letzten Jahren zunächst in Jülich und jetzt in Delft mit der SLI-Technologie beschäftigt. Sie führte es auch in Stanford durch, wo ihre Forscherkollegen SAXS- und dMRT-Messungen an Gehirnproben durchführten, die ebenfalls mit SLI abgebildet wurden. „Die meisten bildgebenden Verfahren haben Schwierigkeiten, einzelne Bahnen in dichten Gehirnstrukturen zu unterscheiden, die viele ineinander verschlungene oder verschlungene Nervenfasern enthalten“, erklärt Menzel. „SLI hat in diesen dichten Regionen Faserorientierungskarten mit mikroskopischer Auflösung bereitgestellt.“ Insbesondere 2D („innere“) Faserrichtungen wurden mit hoher Auflösung charakterisiert.
Nächste Schritte
„Der Aufenthalt in Delft bietet spannende Möglichkeiten, die Technologie weiterzuentwickeln und an neuen Anwendungen zu arbeiten“, sagt Menzel. Das Team plant auch, SLI auf andere Fasertypen wie Muskel- und Kollagenfasern anzuwenden und den untersuchten Gewebebereich zu erweitern. Ziel ist die Entwicklung eines kleinen und tragbaren Systems, das problemlos in anderen Laboren eingesetzt werden kann. „Langfristig hoffen wir, diese Technologie auch in Kliniken implementieren zu können.“
Referenz: „Verwendung von Lichtstreuung und Röntgenstrahlen zur Entwirrung komplexer neuronaler Richtungen und zur Validierung der Diffusions-MRT“ von Miriam Menzel, David Grisel, Ivan Rajkovic, Michael M. Zenh, Marius Georgiadis, 11. Mai 2023, hier verfügbar. eLife.
DOI: 10.7554/eLife.84024