Ein umfassendes mikrostrukturelles Connectom des menschlichen Gehirns (COMIC):

von langen Nervenfasern zu kurzen Assoziations-fasern – Schwerpunktprogramm “Computational Connectomics” SPP2041 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

Konsortium

In diesem Projekt werden Modelle, Methoden und Techniken für eine bessere Kartierung des menschlichen mikrostrukturellen Connectoms von langen Nervenfasern bis zu kurzen Assoziationsfasern entwickelt. Dabei werden in vivo- und ex vivo-MRT sowie Histologie eingesetzt. Das interdisziplinäre Projekt wird bearbeitet von Wissenschaftlern aus drei verschiedenen Institutionen (MPI-CBS, UKE, PFI ) und durch die DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP2041 gefördert.

Dieses aus drei Teilprojekten bestehende interdisziplinäre Forschungsvorhaben integriert Informationen aus in vivo- und ex vivo-MRT mit modernsten histologischen Methoden, um ein die gesamte Lebensspanne umfassendes mikrostrukturelles Connectom zu erstellen. Im ersten Teilprojekt (WP1) wird ein neuroanatomisches Connectom von kurzen Assoziationsfasern mittels ex vivo-Histologie konstruiert. Im zweiten Teilprojekt (WP2) werden neuartige biophysikalische Modelle des MRT-Kontrastes für kurze Assoziationsfasern entwickelt. Basierend auf diesen Entwicklungen wird im dritten Teilprojekt (WP3) im Rahmen einer in vivo-Kohortenstudie ein umfassendes menschliches mikrostrukturelles Connectom über die gesamte adulte Lebensspanne erstellt.

Hintergrund

Der menschliche Neokortex ist in funktionell spezialisierte Regionen unterteilt, die innerhalb synchronisierter Netzwerke miteinander kommunizieren. Diese Kommunikationsbahnen sind durch lange und kurze Assoziationsfasern realisiert. Die mikrostrukturelle Zusammensetzung der Fasern bestimmt die optimierte Geschwindigkeit der Kommunikation innerhalb der physikalischen metabolischen Grenzen. Diese Faserverbindungen, ihre mikrostrukturellen Eigenschaften (z. B. Axondurchmesser und deren Myelinisierungsgrad) werden als mikrostrukturelles Connectom zusammengefasst. Die meisten aktuellen Modelle des humanen strukturellen Connectoms basieren auf der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie (DWI) beinhalten keine Informationen über die Fasermikrostruktur und sind unvollständig. Insbesondere kurze Assoziationsfasern, die eine zentrale Rolle in lokalen Hirnnetzwerken spielen, sind unterrepräsentiert. In der letzten Förderperiode haben wir ein humanes Connectom mit mikrostrukturellen Informationen entlang der langen Projektfasern ergänzt.

Ziel

In dieser Förderperiode werden nun auch die kurzen kortiko-kortikalen Verbindungen mikrostrukturell charakterisiert und in ein die gesamte Lebensspanne umfassendes humanes Connectom aufgenommen.

Methoden

Zu diesem Zweck werden wir einen leistungsstarken multidisziplinären Ansatz verwenden, der auf drei Teilprojekten basiert (Abbildung): Das erste Teilprojekt (WP1) untersucht die mikrostrukturelle Zusammensetzung, Länge und Form kurzer Assoziationsfasern unter Verwendung fortschrittlicher ex vivo-Histologie mit groß angelegter ultrahochauflösender Bildgebung innerhalb zweier spezifischer Gehirnareale, dem visuellen und dem sensorisch-motorischen System. Das zweite Teilprojekt (WP2) entwickelt Deep-Learning-Verfahren, um die mikrostrukturellen Informationen (z. B. die Verteilung von Axondurchmessern oder den Myelinisierungsgrad) aus großflächigen, ultrahochauflösenden Mikroskopiebildern (WP1) zu quantifizieren. Darüber hinaus werden biophysikalische Modelle entwickelt, die durch die oben genannten quantifizierten histologischen mikrostrukturellen Informationen validiert und informiert werden. Schließlich werden in WP2 robuste Methoden zur Traktographie von kurzen und langen Fasern entwickelt, die auf in vivo- und ex vivo-MRT-Daten basieren. Das letzte Teilprojekt (WP3) verwendet die neu entwickelten Methoden im Rahmen einer in vivo-Kohortenstudie, um ein umfassendes menschliches mikrostrukturelles Connectom über die gesamte adulte Lebensspanne zu erstellen.

Stellenangebote

Wir suchen interessierte Doktorand*innen oder Postdocs mit einem Hintergrund in Neurowissenschaften, Biologie, Physik oder Bildanalyse, die unser interdisziplinäres Team ergänzen und an einem der oben beschriebenen Projekte mitarbeiten möchten. Je nachdem, wo Sie sich in diesem Projekt wiederfinden (siehe Abbildung), können Sie sich direkt an die/den jeweilige/n leitende/n Wissenschaftlerin/Wissenschaftler wenden, um mehr über die PhD- Stelle zu erfahren.

Kontakt zu den leitenden Wissenschaftler*innen:

Evgeniya Kirilina (WP2):

Siawoosh Mohammadi (WP2):

Markus Morawski (WP1):

Nikolaus Weiskopf (WP3):



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