bilder des gehirns verstehen max planck institut für biologische kybernetik, tübingen...
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Bilder des Gehirnsverstehen
Max Planck Institut für biologische Kybernetik, TübingenNeurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis
UniversitätsSpitalZürich
Universität Zürich
Universitätsspital ZürichKlinik und Poliklinik für Nuklearmedizin
PD Dr. phil. Bruno Weber
Gerhard Richter Seestück (Welle), 1969
J. Physiol. 11, 1890
Differenz
Die Milchbüechli-Rechnung der funktionellen Hirnbildgebung
Aufgabe A .
- Aufgabe B .
Scanner am UniversitätsSpital Zürich
MRI PET
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (1999)
Hippocampus 7 (1997)
Neurology 51 (1998)
1 Anatomie der Blutgefässe:Corrosion CastsAnti-Collagen ImmunohistochemieSynchrotron CT
2 In-vivo Experimente in der Ratte:Laser speckle Flussmessung,Autofluoreszenz Metabolismusmessung
3 In-vivo Experimente im Affen:Hochauflösende MRI MessungenGleichzeitige fMRI/optische Messungen
SauerstoffO2
O2 O2
O2
BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie
Sauerstoff
O2
O2
BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie
Sauerstoff
O2
O2
BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie
1 Anatomie der Blutgefässe
III
III
IV
VI
V
500 m
500 m
Rhesus AffeGyrus temporalis superior
50 m
50 m
20 m
100 m
Rhesus AffeGyrus temporalis superior
Arterie in der Hirnrinde der Ratte
(a) Präkapilläre Arteriolen(b) Postcapilläre Venulen (c) Kapillaren
Immunohistochemiezur Quantifizierung der Gefässe
Anti-Kollagen Färbung der Basalmembran
500 m
A B C D
IVc-IVc-
IIIIII
IVa
IVb
VVI
wm
E
tLAVA
FV
2
V
lL
P
V4
io pmts
ip
sts sf
la
ec
luv1 v2 v4
v1
v2
v3
v2
v3 v3a
v4
v5
0 1 2 30
Volumen [%]0 500 1000
0
2
4
6
8
10
wm654c-4c-4b4a321
Längendichte [mm/mm3] 0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
V1 all
N=228
Gefässdurchmesser [Mikrometer]
Häu
figke
it [%
]
1234a4b4c-4c-56
Swiss Light Source SLSPaul Scherrer Institut, Villigen
1.4 Mikrometer AuflösungFOV 1.4x1.4x1.4 mmMonochromatische Röntgenstrahlung 17.5 keV
Synchrotron-basierte Mikro-Computertomographie
ZusammenarbeitM. Stampanoni, A. Graso, R. Abela
Probe
Barium Sulfat als CT Kontrastmittel
500 mg / ml BaSO4 (0.7 m Partikelgrösse)
Präfixierung mit Formalin (transkardial)BaSO4 InjektionTorlon Probenhalter
Vorteile dieser Probenaufbereitung
Relativ einfachErmöglichst nachfolgende Histologie
Projektionen @ 0-180 Grad Rekonstruierte Schnitte
Digitale SegmentierungVolume rendering
100 m
100 m
100 m
100 m
2 In-vivo Experimente in der Ratte
FluoreszenzMikroskop
CCDKamera 785 nm Laser
450-490 nmAnregungs-
Licht
Flavoprotein-AutofluoreszenzOxidativer Metabolismus
Laser Speckle KontrastBlutfluss
Barrel-Cortex
Vibrissae
500 m
c = / <I>
1 mm
Zeitliche Aspekte
Barrel-Cortex
Vibrissae
500 m
0
13
0
13
%
%
AF (Metabolismus) LSI (Blutfluss)
A
0
1
%
B
0
1
%
Räumliche Aspekte
1 mm
zeitlich:
Zeit [s]
neuronale Aktivität
(oxidativer)Metabolismus Blutfluss
0.0 > 0.1 > 0.7
räumlich:
Distanz [m]- 500 0 500
3 In-vivo Experimente im Affen
Visuelle Stimulation
RF-Spule
Affenstuhl
MRI Labor am Max Planck Institut, D-Tübingen
20 mm Spule
20 mm
Optische Bildgebung im Magnetresonanz-Scanner
Messung der Blutoxygenierung sowohl optisch als auch mittels fMRI
Probleme: MR-Kompatibilität aller KomponentenUmbau der Elektronik
sehr beschränkte PlatzverhältnisseMiniaturisierung des Systems
Linsensystem
Hirnoberfläche
Linsensystem
~ 5 mm
~ 70 mm
~ 5 mmMR
10 m
ComputerCCD
150 mm
KameraElektronik
Licht Einkopplung
Hirnoberfläche
Linsensystem
~ 5 mm
~ 70 mm
~ 5 mmMR
10 m
ComputerCCD
150 mm
KameraElektronik
Licht Einkopplung
Chronischeoptische Kammer
OptischesSystem
MR Angiogramm
Optische Bildgebung
Hirnoberfläche
G04
-5 0 5 10 15 20 25
-5
0
5
10
Zeit [sec]
Sign
alän
deru
ng [
%]
HbRHbO
BOLD
SauerstoffO2
O2 O2
O2
SauerstoffO2
O2 O2
O2
Sauerstoff
O2
O2
Sauerstoff
O2
O2
Sauerstoff
O2
O2
Sauerstoff
O2
O2
Zusammenspiel von:
1. Hirnaktivität2. Sauerstoffverbrauch3. Blutfluss
Alfred Buck
Nikos Logothetis Mark Augath Stefan Weber Axel Oeltermann Anna Lena Keller
Gustav v. Schulthess Matthias Wyss
Frank Scheffold Charles Voelker Pavel Zakharov Amela GrosoMarco Stampanoni
D-Tübingen, MPI
Zürich, Universitätsspital
Fribourg, Physik Institut Villigen, SLS
Cyrill Burger
