Entwicklung und Validierung eines konstitutiven Wachstumsmodells für Gehirngewebe zur Charakterisierung von zeitlichen und örtlichen Gehirnveränderung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404568779

Das Gehirn als Teil des Zentralnervensystems ist das wohl komplexeste biologische System, welches deutliche Änderungen besonders in der Wachstumsphase erfährt. Aufgrund dieser sich sowohl auf makroskopischer als auch mikroskopischer Ebene befindlichen Komplexitäten und den damit verbundenen Schwierigkeiten bei der experimentellen Beprobung, sind nur unzureichende experimentelle Untersuchungen vorhanden. Darüber hinaus sind altersabhängige, mechanische Untersuchungen an Gehirngewebe, welche zudem ortsaufgelöst durchgeführt wurden, äußerst rar. Aber gerade solche Experimente sind unabdingbar um zum einen die mechanischen Eigenschaften des Gehirns während des Wachstums besser verstehen und um zum anderem entsprechende numerische Modelle entwickeln und validieren zu können. Die Leistungsfähigkeit entsprechender Modelle im Sinne der Vorhersagegenauigkeit hängt dabei besonders von der Güte der identifizierten Materialparameter ab.Daher ist das Ziel dieses Forschungsvorhabens die Entwicklung und Validierung eines konstitutiven Wachstumsmodells für Hirngewebe, das Veränderungen des Säugetiergehirns sowohl räumlich als auch zeitlich charakterisiert. Dieses Ziel soll in mehreren aufeinander aufbauenden Schritten, welche durch eine enge Verflechtung zwischen Experiment und Modellierung gekennzeichnet sind, erreicht werden. Dabei werden die Experimente an Hausschweinen durchgeführt, da Aufbau und Funktion des Gehirns bei Mensch und Schwein sehr ähnlich sind. Eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung der Experimente ist die Methodenentwicklung (I). Aufgrund der geringen Größe der Gewebeproben müssen zunächst mikromechanische sich unter dem Mikroskop befindliche Messaufbauten für die geplanten axialen, biaxialen und triaxialen experimentellen Untersuchungen entwickelt, gebaut und verifiziert werden. In einem ersten experimentellen Schritt werden axiale, biaxiale und triaxiale Untersuchungen an Gewebeproben (II) durchgeführt. Um regionale Unterschiede im Gehirn zu erfassen, werden Präparate an definierten Positionen aus dem Gehirn entnommen und in Abhängigkeit ihrer Axonenorientierung beprobt. Um darüber hinaus den Einfluss des Alters auf die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen, wird Gehirngewebe unterschiedlichen Alters verwendet. Durch immunhistologische Untersuchungen (III) werden neben der Gehirngeometrie die Myelin- und Neuronenanteile sowie die Orientierungen der Axone im Gewebe quantifiziert. In einem finalen Arbeitsschritt sollen die Daten aus den Experimenten an den Gewebeproben in die Modellentwicklung und Validierung (IV) eingehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr.-Ing. Ellen Kuhl