Ein multimodaler Ansatz zur in vivo-Kartierung sogenannter U‑Fasern in der frühen visuellen Signalverarbeitung beim Menschen

Eine Kombination aus diffusionsgewichteter Bildgebung und funktioneller retino­topischer Kartierung ermöglicht eine zuverlässige Darstellung der strukturellen Verbindungen der sogenannten U‑Fasern in vivo in der frühen Signalverarbeitung in der Sehrinde.

Kurze kortiko-kortikale Assoziationsfasern (U‑Fasern) sind Fasern, die direkt unter der kortikalen grauen Substanz in der oberflächennahen weißen Substanz verlaufen und benachbarte kortikale Areale verbinden. Die U‑Fasern spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung, Funktion und Pathologie des Gehirns; allerdings sind sie in aktuellen Kar­tierungen aller Verbindungen des menschlichen Gehirns (sogen. Konnektom) unter­reprä­sentiert. Eine voll­ständigere Darstellung des Konnektoms des menschlichen Gehirns kann durch eine zuverlässigere Kartierung der U‑Fasern erreicht werden. Dies erfordert jedoch eine hoch­qualitative in vivo-Diffusions-Magnet¬resonanz­tomographie (MRT) mit einer Auflösung von weniger als einem Millimeter, spezielle Faser- und Trakto­graphiemodelle sowie eine geeignete Validierung.

Für die Kartierung der U-Faser-Konnektivität haben wir mit einem 3T Connectom-MRT-Scanner (Siemens Healthineers, Erlangen, Deutschland), der mit Hochleistungsgra­dien­ten (300 mT/m maximale Gradientenamplitude) ausgestattet ist, einen in vivo-Diffu­sions-MRT-Datensatz mit einer Auflösung von weniger als 1 mm aufgenommen. Eine gezielte Validierung erfolgte durch Kartierung der U‑Faser-Konnektivität zwischen pri­märer und sekundärer Sehrinde (V1 bzw. V2), von der bekannt ist, dass sie retino­topisch organisiert ist. Es erwies sich, dass unsere Karten der U‑Faser-Konnektivität in der Tat retinotopisch organisiert sind, d. h. Verbindungen zwischen korrespondierenden retino­topischen Regionen von V1 und V2 sind stärker als Verbindungen zwischen nicht-retino­topischen Bereichen.

Diese Proof-of-Concept-Studie zeigt, dass eine zuverlässige Kartierung der U‑Faser-Konnek¬tivität in vivo möglich ist. Wir sind überzeugt, dass unser gegenwärtiger For­schungsansatz - die Kombination unterschiedlicher MRT-Modalitäten zur Kartierung und Validierung von U‑Fasern - ein wichtiger Schritt zu einer vollständigeren Dar­stel­lung des Konnektoms im menschlichen Gehirn ist.

Publikationen:

Movahedian Attar F, Kirilina E, Haenelt D, Trampel R, Edwards L J, Weiskopf N. 2020. Mapping Short Association Fibers in the Early Cortical Visual Processing Stream Using In Vivo Diffusion Tractography. Cerebral Cortex. doi: 10.1093/cercor/bhaa049

Hochqualitative Schätzungen der Faser-Orientierungs-Verteilungsfunktion (fODF) und Traktographie bei einer Auflösung von unter 1 mm. Rekonstruktion von (a) intra­kortikalen Radialfasern, (b) subkortikalen Fasern der oberflächennahen weißen Substanz und (c) Fasern in der Sehstrahlung (Radiatio optica). (d) Histologische Karte der kurzen Faserverbindungen der weißen Substanz im Okzipitallappen. (e) Traktogra­phische Rekonstruktion des Fasciculus occipitalis verticalis (vertical occipital fasci­cu­lus, VOF) mit Fasern, die die obere und untere Wand des Sulcus calcarinus verbinden, sowie anderen U‑Fasern in der histologischen Karte in vivo.

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