Z02 – Mesoskopische Bildgebung von Struktur, Funktion und Neuroflüssigkeiten des menschlichen Gehirns

Mesoskopische mikrostrukturelle und funktionelle MRI

Mit unseren neuen 7T-Scannern können wir sowohl die Struktur als auch die Funktion des Gehirns auf mesoskopischer Ebene untersuchen und so die Lücke zwischen makroskopischen Gehirnnetzwerken und mikroskopischen zellulären Prozessen schließen. Wir verbessern zweier Schlüsseltechniken: funktionelle MRT (fMRI) und diffusionsgewichtete Bildgebung (dMRI).

Wir entwickeln fortschrittliche fMRI-Methoden, um eine Auflösung im Submillimeterbereich zu erreichen, eine Detailgenauigkeit, die es uns ermöglicht, die Hirnaktivität viel feiner als bisher zu visualisieren. Diese verbesserte Auflösung wird es uns ermöglichen, die funktionelle Organisation des Gehirns mit größerer Präzision zu untersuchen und aufzuzeigen, wie verschiedene Gehirnregionen während kognitiver Aufgaben interagieren und kommunizieren. Darüber hinaus werden wir neurartige Techniken zur Rauschunterdrückung anwenden, um die Empfindlichkeit unserer fMRI-Messungen zu maximieren und sicherzustellen, dass wir selbst die feinsten Veränderungen der Gehirnaktivität erkennen können.

Unser 7T Terra.X Impulse Edition mit seinen außergewöhnlich starken Gradienten ermöglicht es uns, dMRI-Daten mit deutlich verbesserter Qualität und Geschwindigkeit zu erfassen.  Dadurch können wir dMRI über die üblicherweise durchgeführte Traktographie der weißen Substanz hinaus anwenden und die Mikrostruktur der Großhirnrinde untersuchen.  Wir werden neuartige Modelle einsetzen, um diese Daten zu analysieren und wichtige Informationen über Gewebeeigenschaften und Konnektivität zu gewinnen.  Auf diese Weise können wir untersuchen, wie Veränderungen in der Mikrostruktur des Gehirns mit der normalen Gehirnfunktion und mit neurologischen Störungen zusammenhängen.

Mesoskopische Bildgebung und Bewertung von Neuroflüssigkeiten

Unsere Forschung erforscht die komplizierte Welt der „Neurofluide“ – die verschiedenen Flüssigkeiten und flüssigkeitsgefüllten Räume im Gehirn, einschließlich Blutgefäße, perivaskuläre Räume, Liquor und interstitielle Flüssigkeit. Diese Neurofluide spielen eine entscheidende Rolle für die Gesundheit des Gehirns und beeinflussen alles von der Nährstoffversorgung über den Abtransport von Abfallprodukten (sogenannte „Brain Clearance“) bis hin zur kognitiven Funktion.  Wir entwickeln und verbessern fortschrittliche Bildgebungsverfahren zur Untersuchung von Neurofluiden auf mesoskopischer Ebene.

Ein Schwerpunkt ist die Anwendung der Intravoxel Incoherent Motion (IVIM) MRI, einer Technik, die es uns ermöglicht, gleichzeitig die Blutperfusion und die Bewegung der interstitiellen Flüssigkeit zu messen, einem potenziellen Biomarker für die “Brain Clearance“.  Mit Hilfe unserer leistungsstarken 7T Terra.X Impulse Edition und fortschrittlichen Analysemethoden wollen wir detaillierte Karten dieser Biomarker in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit erstellen.

Wir erweitern auch die Möglichkeiten der strukturellen Bildgebung des Gefäßsystems des Gehirns.  Unsere Ultrahochfeld-MRT ermöglicht es uns, Arterien und Venen mit außergewöhnlicher Auflösung darzustellen. Wir entwickeln und verwenden neue Methoden wie Vessel Distance Mapping (Gefäßdistanzkartierung), um die räumliche Beziehung zwischen Blutgefäßen und dem umgebenden Hirngewebe zu analysieren. So können wir untersuchen, wie die Organisation des Gefäßsystems die Kognition und die Reservemechanismen beeinflusst.

Strukturelle und funktionelle Modellierung des menschlichen medialen Temporallappens

Der mediale Temporallappen (MTL) ist eine wichtige Gehirnregion für Gedächtnis und Navigation, aber er ist auch anfällig für altersbedingte Veränderungen und Krankheiten wie Alzheimer. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Methoden zur Untersuchung der komplizierten Struktur und Funktion des MTL. Wir entwickeln neue Methoden zur Analyse hochauflösender MRT-Scans, die es uns ermöglichen, die verschiedenen Unterregionen innerhalb des MTL, einschließlich des Hippocampus und der extrahippocampalen Bereiche, genau zu kartieren.

Unsere Arbeit zielt darauf ab, den Forschern die Mittel an die Hand zu geben, die sie zur Untersuchung des MTL benötigen. Dazu gehört die Entwicklung standardisierter fMRI-Aufgaben und Analysepipelines für die Untersuchung verschiedener Gedächtnistypen, wie Objekt- und Szenengedächtnis. Außerdem stellen wir automatisierte Werkzeuge zur Verfügung, um den MTL in seine Unterregionen zu unterteilen, was detaillierte anatomische und funktionelle Studien ermöglicht. Mit diesen Werkzeugen können Forscher das Volumen dieser Unterregionen messen und Veränderungen im Laufe der Zeit verfolgen, was für das Verständnis der Auswirkungen von Alterung und Krankheit auf den MTL entscheidend ist.

Über die einfache Volumenmessung hinaus entwickeln wir neue Methoden zur Analyse der feinkörnigen Struktur des MTL, einschließlich einer neuen Methode zur Messung der Dicke des Hippocampus und des entorhinalen Kortex. Damit können wir subtilere Veränderungen als bisher untersuchen. Schließlich arbeiten wir an der Integration von Daten aus verschiedenen Bildgebungsmodalitäten wie strukturellem MRI, Diffusions-MRI, funktionellem MRI und Messungen von Neurofluiden. Durch die Kombination dieser verschiedenen Perspektiven wollen wir ein umfassenderes Verständnis der Funktionsweise des MTL und seiner Veränderungen bei Gesundheit und Krankheit gewinnen.

Aufgaben im Sonderforschungsbereich

Ziel von Z02 ist die Entwicklung und Erprobung neuartiger Bildaufnahme-, Verarbeitungs- und Modellierungsverfahren unter Verwendung der ultrahochauflösenden 7-Tesla-Magnetresonanztomographie (7T-MRT) für breitere Anwendungen bei Menschen und Primaten, um so innovative Bildgebungsexperimente im Rahmen der SFB-Projekte zu ermöglichen. Wir werden unsere MR-Bildgebungs- und Analysewerkzeuge erweitern, um eine ganzheitliche Untersuchung von Neuroflüssigkeiten zu ermöglichen, die von der hochauflösenden Gefäßstrukturdarstellung und der Bewertung von Gefäßmustern mit unserem jüngst entwickelten vessel distance mapping (VDM) bis hin zur Untersuchung der Mikrogefäße und der Ermittlung von Biomarkern für Perfusion und Clearance reicht. Diese Bildgebungsdaten werden in Quer- und Längsschnittstudien eine detaillierte strukturelle und funktionelle Modellierung von Netzwerken im medialen Temporallappen und seinen feinkörnigen Unterregionen ermöglichen, einschließlich ihrer kortikalen Dicke.