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Institut für Neurowissenschaften und Medizin
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Mikroskopie

„Three-dimensional Polarized Light Imaging“ (3D-PLI) nutzt die uniaxiale Doppelbrechung der Myelinscheiden, welche einen Großteil der Nervenfasern (Axone) im Gehirn umgeben. Die Doppelbrechung wird durch die regelmäßige Anordnung der Lipide und Proteine in der Myelinscheide hervorgerufen und führt zu einer optischen Anisotropie, die die räumliche Struktur der Nervenfasern widerspiegelt.

Polarimetrie

Um die Nervenfaserrichtungen zu bestimmen, wird ein fixiertes und gefrorenes postmortem Gehirn mit einem Gefriermikrotom in hauchdünne Scheiben (≤ 70 µm) geschnitten. Die Hirnschnitte werden zwischen zwei gekreuzte Linearpolfilter und eine Viertelwellenplatte platziert, die um das stationäre Hirngewebe rotieren. Dieser Aufbau ermöglicht es, Änderungen im Polarisationszustand des Lichts zu messen, die durch die Doppelbrechung der Nervenfasern entstehen und zur Bestimmung der dreidimensionalen Faserorientierungen dienen.

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Der Film zeigt die Messung eines koronalen menschlichen Hirnschnittes mit dem Large-Area Polarimeter. Wenn die Polarisationsfilter rotieren, ändert sich die Intensität des transmittierten Lichts aufgrund der Doppelbrechung der Nervenfasern sinusförmig. Fasern mit unterschiedlichen räumlichen Orientierungen erzeugen Intensitätssignale mit unterschiedlichen Amplituden und Phasen.

Geräte und Infrastruktur

In unserem Labor stehen uns zwei maßgefertigte Polarimeter mit unterschiedlichen optischen Auflösungen und Empfindlichkeiten zur Verfügung: Das Large-Area Polarimeter (LAP) hat eine Pixelgröße von 64 µm und erlaubt Einzelaufnahmen von kompletten histologischen menschlichen Hirnschnitten. Das Polarisationsmikroskop (PM) hat eine Pixelgröße von 1,33 µm und ermöglicht ein kachelbasiertes Scannen der histologischen Hirnschnitte. Die Messung eines ganzen menschlichen Hirnschnittes im LAP dauert etwa 15 Minuten und erzeugt ein Datenvolumen von 3 GB. Die Messung eines solchen Schnittes mit dem PM dauert dagegen etwa 15 Stunden und erzeugt ein Datenvolumen von etwa 750 GB. Um solche großen Datenmengen verarbeiten zu können, arbeitet die FA-Gruppe eng mit dem Jülich Supercomputing Centre (JSC) zusammen.

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Die räumlichen Faserorientierungen werden mit Hilfe von Signal- und Bildverarbeitungsmethoden aus dem gemessenen Intensitätssignal extrahiert. Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der rekonstruierten Faserorientierungen zu verbessern, werden numerische Simulationen verwendet. Die dreidimensionale Faserbahnarchitektur wird in einer „Fiber Orientation Map“ (FOM) visualisiert, die die Faserorientierungen in unterschiedlichen Farben darstellt. Das Polarimeter, das für die 3D-PLI Messungen verwendet wird, ermöglicht auch die Untersuchung weiterer Gewebeeigenschaften wie z.B. die anisotrope Lichtabschwächung (Diattenuation). Auf diese Weise können zusätzliche Informationen über die zugrunde liegende Faserstruktur und Gewebezusammensetzung gewonnen werden.

Ausgewählte Publikationen

  • Caspers, S., Axer, M. Decoding the microstructural correlate of diffusion MRI. NMR in Biomedicine. (2017); e3779. https://doi.org/10.1002/nbm.3779
  • Menzel, M.; Reckfort, J.; Weigand, D.; Köse, H.; Amunts, K.; Axer, M. Diattenuation of brain tissue and its impact on 3D polarized light imaging. Biomedical Optics Express 8 (2017) 7, 3163 – 3197. https://doi.org/10.1364/BOE.8.003163
  • Costantini, I.; Menzel, M.; Silvestri, L.; Schubert, N.; Axer, M.; Amunts, K.; Pavone, F.S. Polarized Light Imaging and Two-Photon Fluorescence Microscopy correlative approach for 3D reconstruction of the orientation of myelinated fibers. In: Optics in the Life Sciences Congress , OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper BrW4B.5. https://doi.org/10.1364/BRAIN.2017.BrW4B.5
  • Reckfort, J.; Wiese, H.; Pietrzyk, U.; Zilles, K.; Amunts, K.; Axer, M. A multiscale approach for the reconstruction of the fiber architecture of the human brain based on 3D-PLI. Frontiers in Neuroanatomy 9 (2015), 118. https://doi.org/10.3389/fnana.2015.00118
  • Zilles, K.; Palomero-Gallagher, N.; Gräßel, D.; Schlömer, Ph.; Cremer, M.; Woods, R.; Amunts, K.; Axer, M. High-Resolution Fiber and Fiber Tract Imaging Using Polarized Light Microscopy in the Human, Monkey, Rat, and Mouse Brain. In: Axon and Brain Architecture, Rockland, K. (ed.), pp. 369 – 389, Elsevier (2015)
  • Wiese, H.; Gräßel, D.; Pietrzyk, U.; Amunts, K.; Axer, M.: Polarized Light Imaging of the human brain – a new approach to the data analysis of tilted sections. Proceeding SPIE Defense, Security, and Sensing (2014)
  • Axer, M.; Gräßel, D.; Kleiner, M.; Dammers, J.; Dickscheid, T.; Reckfort, J.; Hütz, T.; Eiben, B.; Pietrzyk, U.; Zilles, K.; Amunts, K.: High-resolution fiber tract resconstruction in the human brain by means of three-dimensional polarized light imaging. Frontiers in Neuroinformatics, 5 (2011). https://doi.org/10.3389/fninf.2011.00034
  • Axer, M.; Amunts, K.; Gräßel, D.; Palm, C.; Dammers, J.; Axer, H.; Pietrzyk, U.; Zilles, K. A novel approach to the human connectome: Ultra-high resolution mapping of fiber tracts in the brain. 
NeuroImage, 54 (2011), 1091 – 1101. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2010.08.075

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E-Mail: m.axer@fz-juelich.de

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