Hochauflösende quantitative und funktionelle MRT zeigen systematische Unterschiede in der Myelinisierung innerhalb des sekundären Sehrinde im Menschen

Jüngste Entwicklungen in der Ultrahochfeld (≥ 7 T) Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglichen die nicht-invasive Untersuchung von mesoskopischen Strukturen im menschlichen Gehirns. So kann z. B. die Thin-Thick-Pale Stripes Struktur im sekundären visuellen Kortex (V2) (Tootell et al., 1983, Science, 220, 3498, 737–39) mit hochauflösender funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) dargestellt werden (Nasr et al., 2016, J Neurosci, 36, 6, 1841–57). Auf Grundlage von histologischen Studien ist bekannt, dass diese Stripes auch in ihrer Myelinisierung variieren, obwohl noch immer umstritten ist, welche Stripes stärker myelinisiert sind (Horton et al., 1997, Cereb Cortex, 7, 2, 166–77).

In unserer Studie verwendeten wir quantitative MRT (qMRT) (Weiskopf et al., 2021, Nat Rev Phys, 3, 570–88) in Verbindung mit fMRT, um die Myelinisierungsunterschiede zwischen den Stripes anhand von longitudinalen (R1) Relaxationsraten zu untersuchen (weitere Einzelheiten in (Haenelt et al., eLife 2023)). Vier Probanden wurden zu mehreren Sitzungen in einem 7T-MRT-Scanner an verschiedenen Tagen eingeladen. Thin und Thick Stripes wurden unter Ausnutzung ihrer unterschiedlichen Empfindlichkeit für Farbinhalt bzw. räumliches Sehen lokalisiert. Alle funktionellen Daten wurden mit einer nominalen isotropen Voxelgröße von (0,8 mm)³ erhoben. Für qMRT verwendeten wir das MPM-Protokoll (Weiskopf et al., 2013, Front Neurosci, 7, 95; Vaculciakova et al., 2022, MRM, 88, 2, 787–801) und erfassten Daten mit isotroper 0,5 mm Auflösung.

Abbildung 1 zeigt beispielhafte Aktivierungskarten für Thin bzw. Thick Stripes. Thin Stripes (Kontrast: Farbe > Luminanz) und Thick Stripes (Kontrast: 3D > 2D) sind in (a) bzw. (b) als Aktivierungskarten für einen repräsentativen Probanden dargestellt. Manuell gezeichnete cyanfarbene Punkte markieren aktivierte Regionen in (a), um das alternierende Aktivierungsmuster zwischen (a) und (b) zu verdeutlichen.

Auf Grundlage der funktionellen Daten wurden R1 in Thin/Thick Stripes mit dem Rest von V2 verglichen, die somit Pale Stripes Anteile enhalten.

Abbildung 2 zeigt R1 in Thin Stripes (rot), Thick Stripes (blau) und dem Rest von V2 für verschiedene z-score Schwellwerte, die für die Definition von Thin und Thick Stripes aus den fMRT Daten verwendet wurden.

Die quantitativen Parameter sind als Abweichung vom Mittelwert innerhalb von V2 nach Abzug der Varianz durch die lokalen Krümmung der Gehirnrinde dargestellt. Die statistische Signifikanz wurde durch Permutationstests ermittelt. R1 in Thin/Thick Stripes war niedriger als die umgebende graue Substanz, was auf eine stärkere Myelinisierung der Pale Stripes hindeutet. Die schattierten Bereiche zeigen eine Standardabweichung der für die Permutationstests verwendeten Nullverteilung an.

Soweit wir wissen, ist dies die erste Studie, die Myelinisierungsunterschiede mittels qMRI im lebenden menschlichen Gehirn auf der Größenordnung von mesoskopischen Strukturen zeigt.