Forschungsgruppenleiter

PD Dr. Stefan Geyer
PD Dr. Stefan Geyer
Forschungsgruppenleiter
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Abteilung Neurophysik

Forschungsgruppe "Anatomische Analyse der Organisation des Gehirns des Menschen und nicht-humaner Primaten"

Mikrostrukturelle Analyse der Organisation des Gehirns – Das ambitionierte Ziel einer magnetresonanztomographischen in-vivo Histologie (hMRT)

Mit struktureller Hochfeld-MRT (Feldstärken von 7 Tesla und mehr) sind Wissen-schaftler heute in der Lage, das menschliche Gehirn mit einer Auflösung bis weit in den Submillimeterbereich zu kartieren. Dies steht in erstaunlichem Gegensatz zu einer weitgehenden Unkenntnis über die mikrostrukturelle Natur der unterschiedlichen MRT-Kontraste. Welche zellulären Bestandteile der grauen und weißen Substanz des Gehirns verursachen diese? Sind es Neurone mit ihren Fortsätzen, Gliazellen, Markscheiden? Spielt Eisen eine Rolle? Drängende, aber weitgehend ungelöste Fragen, die von großer Bedeutung sind sowohl für die Grundlagenforschung (z.B. nicht-invasive mikroanatomische Parzellierung der menschlichen Hirnrinde in strukturelle Module, sog. "In vivo Brodmann Mapping") als auch für die klinische Forschung neurologischer und psychiatrischer Disziplinen (z.B. nicht-invasive histologische Diagnostik pathologisch-anatomischer Veränderungen im Gehirn).

Zur Beantwortung dieser Fragen validieren wir strukturelle MRT-Daten mit histologischen Techniken. Postmortale Gehirne werden mit MRT untersucht, anschließend in Paraffin eingebettet und mit einem konventionellen Mikrotom geschnitten oder aber sie werden tiefgefroren und mit einem Gefriermikrotom oder Kryostat geschnitten. An den Schnitten analysieren wir unterschiedliche Aspekte der Mikroanatomie des Gehirns, z.B. die Zellstruktur (Zytoarchitektonik) mit der "klassischen" Nissl-Färbung oder die Struktur der Markscheiden (Myeloarchitektonik) mit Markscheidenfärbungen. Darüber hinaus untersuchen wir die räumliche Verteilung von chemischen Elementen im Gewebe (z.B. Eisen, Phosphor oder Schwefel) mit protoneninduzierter Röntgenemission (Proton-Induced X-Ray Emission, PIXE) in Kooperation mit der Fakultät für Physik der Universität Leipzig und dem Paul-Flechsig-Institut an der Medizinischen Fakultät. Mit dieser Kombinationstechnik lassen sich MRT-Anatomie und histologische Anatomie direkt miteinander vergleichen.

Zur Anwendung kommen aber auch revolutionäre technische Neuerungen auf dem Gebiet der Histologie, z.B. ein vor wenigen Jahren veröffentlichtes Verfahren, genannt CLARITY. CLARITY transformiert Gehirngewebe durch Extraktion der Lipide in ein optisch transparentes Hydrogel-Polymer. Dieses kann "en bloc" mit Fluoreszenzmarkern für spezifische Komponenten von Neuronen oder Gliazellen (z.B. Markscheidenproteine) inkubiert und anschließend "en bloc" mit einem Laser-Scanning-Mikroskop Schicht für Schicht optisch "geschnitten" werden. Das bislang notwendige mühsame reale Schneiden der Gewebeblöcke mit einem Mikrotom, die Korrektur von Schneideartefakten und die Rekonstruktion eines 3D-Volumens aus den Einzelschnitten entfallen.

Von diesen transdisziplinären Ansätzen erwarten wir – in Verbindung mit biophysikalischen Modellierungsmethoden – detaillierte Aussagen über die histologischen und histochemischen Substrate der unterschiedlichen MRT-Kontraste. Wir sind überzeugt, dass in der Zukunft die "typischen" Werkzeuge für mikrostrukturell-anatomische Hirnforschung, wie Säge, Hammer, Messer und Bohrer teilweise entbehrlich werden – ein magnetresonanztomographischer Scanner genügt!

 
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