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Institut für Neurowissenschaften und Medizin
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Virtuelles Gehirn

Aufgrund neuer technischer Möglichkeiten der bildgebenden Magnetresonanzverfahren ist es möglich, die Faserarchitektur im lebenden menschlichen Gehirn zu untersuchen. Diese Daten können zusammen mit Hirnarealen drei dimensional dargestellt werden.

Im interdisziplinären Kooperationsprojekt „Virtuelles Gehirn“ unterstützen die Informatiker aus JARA-HPC die Neurowissenschaftler der Sektion JARA-BRAIN bei der Erforschung des menschlichen Konnektoms. Mit Hilfe einer speziellen Rechenmethode, der sog. probibalistischen Traktographie, können sowohl Hauptfaserbahnen als auch schmale oder kreuzende Nervenfaserbündel im Gehirn erkannt und Unsicherheiten in den zu Grunde liegenden Messdaten ermittelt werden. Daraus entwickeln die Wissenschaftler aus JARA-HPC eine 3D-Visualisierung der Faserbahnen im menschlichen Gehirn und helfen den Neurowissenschaftlern damit, das Zusammenspiel verschiedener Areale im Gehirn besser zu verstehen.

Zielsetzung

Die Neurowissenschaften beschäftigen sich mit der Erforschung der Beziehung zwischen Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns. Ganze Netzwerke kommunizierender Gehirnbereiche sind notwendig, um motorische, sensorische und alle mentalen und kognitiven Handlungen auszuführen. Die strukturelle Grundlage solcher Netzwerke bilden Nervenfasern, die die beteiligten Hirnareale miteinander verbinden. Grundlage für das Verständnis der Hirnaktivitäten ist daher die genaue Kenntnis der Verbindungsfähigkeit des Gehirns.

Untersuchung von Hirnverbindungen

Aufgrund neuer technischer Möglichkeiten der bildgebenden Magnetresonanzverfahren (Magnetic Resonance Imgaging, MRI) ist es möglich, die Faserarchitektur im lebenden menschlichen Gehirn zu untersuchen. Mit Hilfe von mathematischen Algorithmen kann der Verlauf von Faserbündeln aus MRI-Daten errechnet werden. Dabei werden inhärente Unsicherheiten des tatsächlichen Verlaufes von Faserbündeln in den MRI-Daten mit Mitteln der probabilistischen Traktographie berücksichtigt. Für jedes Hirnvoxel wird die Wahrscheinlichkeit berechnet, mit der die entsprechende Faser ihren Weg nimmt.

Visualisierung:

Die 3D-Visualisierung der Wahrscheinlichkeit ist ein wichtiger Schritt zur Feststellung des wahrscheinlichsten Verlaufs eines Faserbündels. Die Verwendung weiterer anatomischer Informationen innerhalb des 3D-Gehirns, z.B. über Hirnareale, trägt zusätzlich zum Verständnis des Faserbündels im strukturellen Zusammenhang bei.

Direkte Interaktion

Zusätzlich zum stereoskopischen Sehen ist die direkte Interaktion, bei der der Nutzer die Darstellung aktiv steuern kann, ein wesentlicher Bestandteil jedes interaktiven Virtual-Reality-Systems. Wie mit einer Taschenlampe kann der Nutzer mit einem 3DInteraktionsgerät den Darstellungsgehalt an anatomischer Struktur kontrolliert ausleuchten. Interessante Teile der probabilistischen Faserbahnen können hervorgehoben und mit verringerter Verdeckung mit anatomischen Merkmalen in Bezug gesetzt werden.

Logo RWTH Aachen und Forschungszentrum Jülich

Kontakt:

JARA|Brain: Prof. Dr. med. Katrin Amunts, k.amunts@fz-juelich.de; Dr. med. Dr. rer. pol. Svenja Caspers, s.caspers@fz-juelich.de

JARA|HPC: apl. Prof. Dr. rer. nat. Torsten Kuhlen, kuhlen@vr.rwth-aachen.de; Dr. rer. nat. Bernd Hentschel, hentschel@vr.rwth-aachen.de

Zusatzinformationen

Bilder

3D-Darstellung des Gehirns mit Faserbündel

Legende Bild 1

3D-Darstellung des Gehirns mit Faserbündel

hier wird ein virtuelles Gehirn gezeigt

Legende Bild 2

Hirnareale mit zusätzlichen anatomischen Informationen

Mit der volumetrischen Darstellung kann die Wahrscheinlichkeitsverteilung in jedem einzelnen Abschnitt dargestellt werden.

Legende Bild 3

Mit der volumetrischen Darstellung kann die Wahrscheinlichkeitsverteilung in jedem einzelnen Abschnitt dargestellt werden.


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