Validating MRI-based in-vivo histology

• Antragsteller: Dr. Siawoosh Mohammadi
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313644856

Zurzeit ist die etablierte Methode zur Messung mikrostruktureller Eigenschaften im menschlichen Gehirn die Ex-vivo-Histologie. Ex-vivo-Histologie jedoch ist nicht geeignet um progressive Veränderungen der weißen Substanz im gesamten Gehirn zu erfassen, weil sie naturgemäß destruktiv (d.h. an postmortem Gewebe angewandt wird) und nur kleine Gewebsblöcke abbildet. Dies schränkt unsere Möglichkeit stark ein, den pathophysiologischen Ursprung des Alterns und der Neurodegeneration zu untersuchen. Fortschrittliche MRT-Technologien, die unter dem Begriff „quantitative MRT“ (qMRI) zusammengefasst werden, können in-vivo-Veränderungen der Mikrostruktur der weißen Substanz messen. Die In-vivo-Histologie mit MRT (hMRI) kombiniert quantitative MRT (qMRI) mit mathematischen biophysikalischen Modellen, um mikroskopische Gewebeeigenschaften des lebenden menschlichen Gehirns, wie Myelin- und axonale Volumenanteile, oder die relative Myelinisierung von Faserbündeln (die sogenannte MR g-ratio) zu quantifizieren. Hierbei muss die hMRI Methode ein mathematisch schlecht gestelltes Problem lösen, in dem die oben genannten mikroskopischen Parameter aus MRT-Voxeln im Millimeterbereich extrahiert werden. Da diese mathematischen Modelle sehr fehleranfällig sind, müssen sie vor der Anwendung gründlich validiert werden. Bisherige Validierungsversuche waren unzureichend, unter anderem weil der Vergleich auf ex-vivo-MRT von fixiertem Gewebe basierte, das sich aufgrund der chemischen Veränderung (z.B. Vernetzung von Proteinen) oder der Autolyseprozesse von frischem Gewebe unterscheidet. Das Ziel des laufenden Projekts ist es, eine Pipeline zu entwickeln, die die oben genannten Einschränkungen bestehender Validierungsversuche für hMRI-Modelle der MR-g-ratio und seiner Bestandteile, d. h. Myelin- und Axon-Volumenfraktionen, adressiert. Dazu haben wir im Rahmen eines Körperspenderprogramms am UKE in Hamburg einen weltweit einzigartigen multimodalen Datensatz generiert, einschließlich quantitativer Multiparameter-Mapping- und Multi-Shell-Diffusions-MRT-Daten von 6 menschlichen postmortalen Gehirnen über die gesamte Fixationszeit (mehr als 300 Zeitpunkten) und zusätzliche hochauflösende Daten sowie Ex-vivo-Histologiedaten (inkl. Elektronen- und Lichtmikroskopie) derselben Gehirne. Der aktuelle Antrag auf ein zusätzliches Jahr für dieses Projekt zielt darauf ab, den Mehrwert dieser erfassten Daten zu maximieren.Das zusätzliches Jahr für dieses Emmy Noether-Stipendium wird die Fortsetzung der einzigartigen Validierungspipeline, die in diesem Projekt entwickelt wurde, weit über die Förderdauer hinaus ermöglichen, da die Daten für kommende Forschungsprojekte offen zugänglich gemacht werden. Die Verfügbarkeit dieser Daten für andere Forscher*Innen wird die Übertragung dieser Modelle in das klinische Umfeld erleichtern, da die veröffentlichten Daten es ermöglichen können, pathologiespezifische Modifikationen an den biophysikalischen Modelle vorzunehmen und direkt zu testen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen