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

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Evgeniya Kirilina; Dr. Siawoosh Mohammadi; Professor Markus Morawski, Ph.D.; Professor Dr. Nikolaus Weiskopf
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 347592254

Der menschliche Neokortex ist in spezialisierten Arealen organisiert, die jeweils unterschiedliche funktionelle Aufgaben wahrnehmen und durch kurze Assoziationsfasern und lange Nervenfasern verbunden sind. Die mikrostrukturelle Zusammensetzung dieser Fasern, wie beispielsweise der mittlere Axondurchmesser oder deren Myelinisierung, ist für die schnelle Kommunikation optimiert. Die Gesamtheit dieser Verbindungen, ihre mikrostrukturellen Eigenschaften und ihre Wechselwirkungen können als mikrostrukturelles Connectom zusammengefasst werden. Die meisten Abschätzungen des menschlichen strukturellen Connectoms basieren auf der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie (MRT) und sind limitiert durch systematische Messfehler. Insbesondere, die kurzen kortiko-kortikale Verbindungen, die eine zentrale Rolle in Neuronennetzwerken spielen, sind unterrepräsentiert und es fehlen mikrostrukurelle Informationen. In der ersten Förderperiode haben wir biophysikalische Modelle des MRT Signal genutzt, um mikrostrukturelle Information entlang der langen Faserverbindungen zu schätzen und zu projizieren, und daraus ein humanes mikrostrukturelles Connectom generiert. In allen existierenden Connectomen sind kurze kortiko-kortikale Verbindungen unterrepräsentiert. In diesem multidisziplinäre Projekt möchten wir das umfangreichste humane mikrostrukturelle Connectom über die erwachsene Lebensspanne entwickeln, das nicht nur die langen Faserverbindungen beinhaltet, sondern auch die kurzen kortiko-kortikalen Verbindungen einschließt. Das erste Teilprojekt untersucht die mikrostrukturelle Zusammensetzung, Länge und Form kurzer Assoziationsfasern unter Verwendung einer anspruchsvollen Kombination von Ex-vivo-Histologie Methoden anhand von zwei spezifischen Hirnregionen: dem visuellen und dem sensomotorischen System. Das zweite Teilprojekt entwickelt Deep-Learning-Tools und wendet sie an, um mikrostrukturelle Informationen aus hochauflösenden und großflächigen Mikroskopie-Bildern zu quantifizieren. Darüber hinaus werden biophysikalische Modelle generiert, die durch die oben genannten quantitativen mikrostrukturellen Informationen validiert und informiert werden. Zusätzlich werden robuste Methoden für die Traktographie auf der Basis von In-vivo- und Ex-vivo-MRT Daten entwickelt. Das letzte Teilprojekt verwendet die neu entwickelten Methoden, um mikrostrukturelle Informationen aus der In-vivo-MRT zuverlässig abzuschätzen. Diese Methodik wird an einer Kohorte von 100 gesunden Probanden angewandt, die die gesamte Spanne des Erwachsenenalters abdeckt. Abschließend wird daraus ein Connectom des menschlichen Gehirns, das die Lebensspanne des erwachsenen Menschen umfasst, erzeugt. Dieses Connectom wird zum ersten Mal sowohl kurze kortiko-kortikale als auch lange Faserverbindungen zusammen mit mikrostrukturellen Informationen beinhalten. Zusätzlich werden mikrostrukturelle Informationen des Cortex integriert basierend auf etablierten Myelin und Eisen MRT Bildgebungsmethoden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2041: Computational Connectomics