Entwicklung eines Hochgeschwindigkeits-Streupolarimeters zur Untersuchung der Konnektivität des Meynert-Kerns im menschlichen Gehirn

• Antragstellerin: Dr. Miriam Menzel
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498596755

In diesem Projekt soll ein Streupolarimeter entwickelt werden, das Lichtstreuung- und Polarisationsmessungen von Hirngewebe kombiniert und komplexe Nervenfaserkreuzungen großer Hirnvolumina sichtbar macht - wie die des Meynert-Kerns und seiner Verbindungen zu kortikalen Hirnarealen. Um die Struktur und Funktion des Gehirns besser zu verstehen und chirurgische Eingriffe präziser zu machen, muss das Nervenfaser-Netzwerk genau kartiert sein. Die Mikroskopietechnik "3D Polarized Light Imaging" (3D-PLI) rekonstruiert den räumlichen Verlauf von Nervenfaserbahnen in histologischen Hirnschnitten mit Mikrometerauflösung. Jedoch liefert 3D-PLI wenig Informationen über die Zusammensetzung des Gewebes und den Verlauf von kreuzenden Nervenfaserbahnen. Mit "Diattenuation Imaging" (DI) wurde eine vielversprechende Bildgebungstechnik entwickelt, die verschiedene Gewebezusammensetzungen (z.B. Regionen unterschiedlicher Faserdurchmesser) unterscheiden könnte. Mit der kürzlich entwickelten Technik "Scattered Light Imaging" (SLI) lassen sich schließlich individuelle Richtungen kreuzender Nervenfasern bestimmen, indem Hirnschnitte aus verschiedenen Richtungen beleuchtet und die resultierenden Streulichtmuster untersucht werden. Eine Kombination aller drei Techniken in einem Gerät (Streupolarimeter) ermöglicht es, die individuellen 3D-Faserorientierungen mit Mikrometerauflösung zu bestimmen, und zwar sowohl für dicht gepackte als auch kreuzende Nervenfasern. Jedoch dauern die SLI-Messungen mit dem derzeitigen Verfahren mehrere Stunden, so dass größere Hirnstrukturen nicht untersucht werden können. Ein zentrales Ziel des Projekts ist es daher, die benötigte Messzeit durch Einsatz von "Compressed Sensing" zu verkürzen - ein Verfahren, das Ansätze der Datenkomprimierung bereits während der Messung nutzt. So soll ein Hochgeschwindigkeits-Streupolarimeter realisiert werden, das kombinierte Messungen (3D-PLI, DI, SLI) von vielen aufeinanderfolgenden Hirnschnitten und multimodale Bildanalysen größerer Hirnvolumina ermöglicht. Das neue System soll genutzt werden, um ein präzises Fasermodell des Meynert-Kerns zu erstellen, der eine wichtige Rolle bei Konzentration, Gedächtnis, Sehleistung und motorischer Kontrolle spielt. Studien haben gezeigt, dass sich niederfrequente, tiefe Hirnstimulationen des Meynert-Kerns positiv auf die Behandlung neurodegenerativer Demenzerkrankungen auswirken, wie z.B. Alzheimer oder Parkinson. Für eine erfolgreiche Behandlung müssen die Elektroden im Gehirn exakt positioniert werden. Dazu müssen die Faserbahnen des Meynert-Kerns und ihre Verbindungen zu kortikalen Hirnarealen genauestens bekannt sein. Das neue Hochgeschwindigkeits-Streupolarimeter soll eingesetzt werden, um ein größeres Hirnvolumen zu messen, das den Meynert-Kern und kortikale Bereiche enthält. Auf diese Weise sollen die komplexen Verläufe der Nervenfasern rekonstruiert und entscheidende Erkenntnisse für eine bessere Behandlung neurodegenerativer Demenzerkrankungen gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen