Neues Instrument für bessere Bilder der Nervenfasern im Gehirn

25.06.2025

Um die Struktur und Funktionsweise des Gehirns zu verstehen, müssen Neurowissenschaftler:innen die komplexen, dreidimensionalen Verläufe und Verbindungen der Nervenfasern untersuchen. Besonders die Kreuzung von Nervenfasern ist dabei eine Herausforderung für die Bildgebung. Bisher kamen zwei Verfahren – 3D-PLI und ComSLI – getrennt zum Einsatz. Jülicher Forschende entwickelten ein System, das beide Verfahren vorteilhaft vereinigt. Ihr Streu-Polarimeter („Scattering Polarimeter“) stellen sie in einer aktuellen Studie im Fachmagazin „Scientific Reports“ vor.

Neues Instrument für bessere Bilder der Nervenfasern im Gehirn — Nervenfaserverläufe in drei Hirnregionen, farbkodiert dargestellt. Das Streu-Polarimeter kombiniert die gemessenen Faserrichtungen von ComSLI und 3D-PLI (rechts), was zu einem besseren Signal führt als mit ComSLI allein (links). Die Verbesserung ist vor allem in Regionen mit wenigen Nervenfasern erkennbar und führt zu weniger fehlerhaften Richtungen (Vektorkarten unten links). Copyright: Auf der Heiden F., Axer M., Amunts K., Menzel M., Sci Rep.,5(1):18493. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-02762-w

Vorteile der Kombination

Das „3D Polarized Light Imaging“ (3D-PLI) ermöglicht es, den Verlauf von Nervenfaserbahnen in ganzen histologischen Hirnschnitten mit einer Auflösung im Mikrometerbereich mittels sichtbaren Lichts darzustellen. Das Verfahren hinterlässt aber Unsicherheiten in Pixeln, die sich kreuzende Nervenfasern enthalten. Dieses Problem lässt sich mithilfe des „Computational Scatterted Light Imaging“ (ComSLI) lösen: Dieselben Hirnschnitte werden dabei (inzwischen automatisiert) aus verschiedenen Winkeln beleuchtet und das durchgelassene (gestreute) Licht unter normalem Einfall gemessen. Dadurch erhält man Lichtintensitätsprofile, die die darunterliegende Hirngewebestruktur und damit das Kreuzen von Nervenfasern erkennbar werden lassen. Eine Kombination beider Verfahren in einem einzigen Gerät würde entscheidende Vorteile bieten: schnellere Messungen, pixelweises Mapping und eine Kreuzvalidierung der Richtung des Faserverlaufs.

Das Streu-Polarimeter, mögliche Anwendungen und JUPITER

Dazu entwickelten die Forschenden auf Basis des sogenannten Mueller Polarimeters das „Scattering Polarimeter“: ein Mikroskop, das gleichzeitige 3D-PLI- und ComSLI-Messungen bei großflächigen Hirnscans ermöglicht. Erste Untersuchungen von Hirnschnitten unterschiedlicher Spezies mit dem Streu-Polarimeter zeigten bereits Ergebnisse, wie sie in der Qualität mit den einzelnen Messungen von 3D-PLI und ComSLI vergleichbar sind und für hochpräzise multimodale Karten von Nervenfaserbahnen genutzt werden können. Die Wissenschaftler:innen sehen jetzt gute Möglichkeiten zur Mikrometer- genauen Rekonstruktion von neuralen Netzen des menschlichen Gehirns. Dafür sollen auch die Kapazitäten des neuen Jülicher Exascale-Rechners JUPITER genutzt werden.

Originalpublikation:
Auf der Heiden F, Axer M, Amunts K, Menzel M. Scattering polarimetry enables correlative nerve fiber imaging and multimodal analysis. Sci Rep. 2025 May 27;15(1):18493. DOI: 10.1038/s41598-025-02762-w.