Kurze Nervenfasern sichtbar gemacht

The scientists made a representative subset of the short white matter fibers visible connecting the lower and higher visual cortical areas in the brain. © MPI CBS

Das menschliche Gehirn ist ein immenses Netzwerk aus einer Vielzahl von Zellen, die durch Milliarden von Nervenfasern miteinander verbunden sind. Fast 90 Prozent der Verbindungen in unserem Gehirn sind kurz und übertragen Informationen zwischen niedrigeren und höheren Verarbeitungsebenen.

Diese Verbindungen sorgen dafür, dass unser Gehirn funktioniert: Mit ihrer Hilfe sehen, hören, denken und handeln wir. Deshalb sind Neurowissenschaftler auf der Suche nach neuen Methoden, die diese kurzen Verbindungen nicht invasiv darstellen können.

„Wir sind jetzt in der Lage, kurze Nervenfasern mit einer Auflösung, die höher als ein Millimeter ist, zu erkennen. Um unsere Ergebnisse zu validieren, kombinieren wir die funktionelle und anatomische Magnetresonanztomographie und vergleichen deren Ergebnisse miteinander“, erklärt Fakhereh Movahedian Attar, welche die Studie mit ihren Kollegen am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften durchgeführt hat.

Die Wissenschaftler machen neuronale Fasern und Nervenverbindungen im Gehirn sichtbar, indem sie die eingeschränkte Beweglichkeit von Wasser in den dicht gepackten Nervenfaserbündeln ausnutzen. Daraus werden dann die Faserrichtungen und Verbindungsstärken abgeleitet.

„Diese Methode wird standardmäßig zur Erkennung von langen Faserbahnen im Gehirn verwendet, doch die kurzen Fasern, die dünn sind und sich häufig kreuzen, werden oft nicht erkannt. Wir haben nun neueste Magnetresonanztomographie-Technik und zugeschnittene Analysetechniken kombiniert, um diese Einschränkung zu überwinden. Um die kurzen Fasern abzubilden, haben wir den Connectom Scanner unseres Instituts verwendet, eines von vier Geräten dieser Art weltweit“, beschreibt Fakhereh Movahedian Attar die Methode.
Verdrahtete Bereiche

Sie und ihre Kollegen konnten zeigen, dass die Bereiche im visuellen Kortex unseres Gehirns, die für die Sehverarbeitung auf niedriger und höherer Ebene verantwortlich sind, nach einem ganz bestimmten Prinzip durch kurze Fasern miteinander verdrahtet sind.

Solche kortikalen Regionen, die den gleichen Teil des Gesichtsfeldes verarbeiten, sind auch stärker miteinander verbunden. So wie Straßennetze den Verkehrsfluss und die Verkehrsrichtung bestimmen, können die Forscher nun besser verstehen, wie die Hirnstruktur die jeweilige Funktion bestimmt.

Die kurzen Faserbahnen verändern sich mit der normalen Hirnentwicklung und können auch von verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen betroffen sein, wie zum Beispiel Multipler Sklerose. Daher verspricht ihre verbesserte Messung nicht nur Fortschritte in den Grundlagenwissenschaften, sondern langfristig möglicherweise auch in der klinischen Diagnostik.

Prof. Nikolaus Weiskopf
Direktor Abteilung Neurophysik
weiskopf@cbs.mpg.de

Fakhereh Movahedian Attar, Evgeniya Kirilina, Daniel Haenelt, Kerrin J.Pine, Robert Trampel, Luke J. Edwards and Nikolaus Weiskopf in Cerebral Cortex (2020): „Mapping Short Association Fibres in the Early Cortical Visual Processing Stream Using In Vivo Diffusion Tractography“
https://doi.org/10.1093/cercor/bhaa049

Videolinks:
https://youtu.be/i9yvQGjZCHg
https://youtu.be/-eNqtj_r9bQ

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Bettina Hennebach Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

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