Was im Gehirn zwischen Grau und Weiß liegt

Forschungsbericht (importiert) 2020 - Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

Autoren
Kirilina, Evgeniya; Helbling, Saskia; Morawski, Markus; Pine, Kerrin; Reimann, Katja; Jankuhn, Steffen; Dinse, Juliane; Deistung, Andreas; Reichenbach, Jürgen R.; Trampel, Robert; Geyer, Stefan; Müller, Larissa; Jakubowski, Norbert; Arendt, Thomas; Bazin, Pierre-Louis; Weiskopf, Nikolaus
Abteilungen
Abteilung Neurophysik, Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften
Zusammenfassung

Die oberflächliche weiße Substanz (OWS), eine dünne Schicht unterhalb des Kortex, enthält die kurzen U-Fasern, die eine tragende Rolle bei der Vernetzung des Gehirns spielen. Bis vor Kurzem war wenig über diesen Teil des Gehirns bekannt. Neuartige Bildgebung machte diese dünne Schicht sichtbar und zeigte, dass sie unerwartet hohe Mengen an Eisen enthält, das vermutlich für die Myelinbildung an den kurzen Fasern notwendig ist. Mit unserer neuen Bildgebungsmethode können wir die OWS und ihre Rolle bei der Entwicklung, dem Altern und den Erkrankungen des menschlichen Gehirns untersuchen.

Abb. 1: Eine weniger als einen Millimeter dünne Schicht der weißen Substanz, die direkt unter der grauen Substanz liegt, birgt die meisten kortiko-kortikalen Verbindungen im menschlichen Gehirn. Die graue Substanz ist hier in dunklerem Farbton dargestellt als die weiße Substanz und die schwarzen Bögen stellen die U-Fasern in der besagten dünnen Schicht schematisch dar.

Im Gehirn lassen sich zwei grundlegende Gewebetypen unterschieden: die graue und die weiße Substanz. Die graue Substanz bildet den Kortex, die aus Milliarden Neuronen bestehende Schicht an der Oberfläche des Gehirns. Die weiße Substanz beherbergt tiefer im Gehirn verlaufende, gebündelte Nervenfasern, die die Neuronen durch millionenfache Verbindungen verschalten. Eine entscheidende Rolle in diesem komplexen Netzwerk kommt der sogenannten oberflächlichen weißen Substanz zu, einer weniger als einen Millimeter dicken Grenzschicht zwischen weißer und grauer Substanz. Diese Schicht enthält die U-Fasern, kürzeste Nervenfasern, die über 90 Prozent aller Verbindungen in der weißen Substanz bilden. Die oberflächliche weiße Substanz unterscheidet sich in ihrer Entwicklung und Physiologie sowohl von der grauen als auch von der weißen Substanz. So werden die U-Fasern erst in einem späten Entwicklungsstadium mit isolierendem Myelin umhüllt. In manchen Gehirnregionen geschieht dies sogar bis in das Erwachsenenalter hinein, das weist auf eine besondere Rolle der U-Fasern für die Gehirnplastizität hin. Auch scheinen Erkrankungen wie Autismus und Alzheimer mit Veränderungen der oberflächlichen weißen Substanz einherzugehen.

Trotz der wichtigen Rolle dieser Gehirnregion war bis vor Kurzem nur wenig über die oberflächliche weiße Substanz und die U-Fasern bekannt: Die Bestimmung ihrer physiologischen und funktionellen Vorgänge im lebenden Gehirn brachten selbst modernste Bildgebungsverfahren an ihre Grenzen, weil sie sich im Submillimeter-Bereich abspielen.

Modernste Bildgebungsverfahren ermöglichen erstmals die Darstellung feinster Details an der Grenze zwischen weißer und grauer Substanz

Nun ist es unserem Team gelungen, die oberflächliche weiße Substanz im lebenden menschlichen Gehirn sichtbar zu machen. Mit einem 7-Tesla-Magnetresonanz-Scanner (MR) konnte die vollständige Grenze zwischen weißer und grauer Substanz mit hoher Auflösung kartografiert werden. Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in der Kombination dreier Innovationen in der bildgebenden Methode. Zum einen wurden die Probandenbewegungen während der MRT-Untersuchung mit Hilfe eines holografischen Sensors verfolgt und vom Scanner in Echtzeit kompensiert, um die notwendige Submillimeter-Auflösung zu erreichen. So konnten durch Atem, Herzschlag und andere unvermeidbare Bewegungen verursachte Störungen minimiert werden. Zum anderen wurde multiparametrische quantitative MR-Kartografie anstelle konventioneller gewichteter MR-Bildgebung benutzt, die üblicherweise für die Darstellung des Gewebekontrasts eingesetzt wird. Die so gewonnenen quantitativen MR-Parameter wie Protonendichte und Spinrelaxationszeiten liefern mikrostrukturelle Informationen über die Gewebezusammensetzung. Dabei agieren die Wasserprotonen als winzige molekulare Sensoren ihrer Umgebung. Ein biophysikalisches Modell, die dritte innovative Komponente unseres Ansatzes, verbindet quantitative MR-Parameter und Gewebeeigenschaften. Das in der Studie entwickelte, auf die oberflächliche weiße Substanz zugeschnittene Modell basiert auf histologischen Untersuchungen des Gehirngewebes mit Hilfe quantitativer physikalischer Methoden zur Elementanalyse.

Die oberflächliche weiße Substanz zeichnet sich durch eine hohen Eisengehalt aus, eine Voraussetzung für die Myelinbildung von U-Fasern

Die quantitativen MR-Karten zeigten, dass das Gewebe der oberflächlichen weißen Substanz sehr viel Eisen enthält. Bemerkenswerterweise ist aber das Eisen in verschiedenen Regionen dieser Schicht nicht gleichmäßig verteilt. So zeigten die primären Gehirnareale, wie etwa der primäre visuelle Kortex, eine relativ niedrige Eisenkonzentration, während sich in den höheren Gehirnarealen mit höherer U-Faserdichte eine stärkere Eisendichte fand. Mikroskopische Untersuchungen mit Hilfe protoneninduzierter Röntgenemission zeigten, dass die höchste Eisenkonzentration in den myelinbildenden Zellen, sogenannten Oligodendrozyten enthalten ist. Was nicht erstaunt, da Eisen für den Prozess der Myelinisierung notwendig ist. Myelin bildet die Fettschicht der Axone der Nervenzellen und beschleunigt die Informationsübertragung im Gehirn. Der Prozess der Myelinisierung läuft während der gesamten Lebensspanne ab, ist aber in der frühen Entwicklung des Gehirns vorherrschend. Tatsächlich fand sich die größte Eisenkonzentration in der oberflächlichen weißen Substanz in Regionen des frontalen Kortex, der sich im gesamten Prozess der Hirnreifung am langsamsten entwickelt. So ist der frontale Kortex erstaunlicherweise erst im vierten Lebensjahrzehnt eines Menschen vollständig myelinisiert.

Die neu entwickelte Bildgebungsmethode erlaubt uns bisher verborgene Einblicke in die Organisation der Grenzfläche zwischen weißer und grauer Substanz und ihre Rolle in der Entwicklung des Gehirns. Dadurch wurde eine Tür aufgestoßen, die uns in Zukunft erlauben wird, weitere entscheidende Erkenntnisse über die Rolle der oberflächlichen weißen Substanz und ihrer Veränderung für die Entwicklung, das Altern und die Erkrankungen des menschlichen Gehirns zu gewinnen.

Literaturhinweis

1.
Kirilina, E., et al.
Superficial white matter imaging: Contrast mechanisms and whole-brain in vivo mapping
Science Advances 6 (41), eaaz9281 (2020)
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