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Institut für Neurowissenschaften und Medizin
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Theorie und Simulation

Um die Wechselwirkung zwischen Licht und Hirngewebe besser zu verstehen und daraus Konzepte zu entwickeln, wie die Messung und Signalanalyse von “3D Polarized Light Imaging” (3D-PLI) in Zukunft verbessert werden können, werden zwei unterschiedliche Simulationsansätze verfolgt: der eine Ansatz basiert auf linearer Optik (Menzel et al. 2015), der andere verwendet die Theorie der Elektrodynamik (Menzel et al. 2016). Für die Simulationen werden Nervenfasermodelle generiert (Ginsburger et al. 2018), die die Faserbahnarchitektur im Gehirn widerspiegeln. Die Simulationen werden auf Superrechnern in Kooperation mit dem Jülich Supercomputing Centre (JSC) durchgeführt.

Nervenfasermodell und Simulationsmethoden für "3D-Polarized Light Imaging" (3D-PLI) adaptiert von Menzel et al. 2016
Copyright: Springer Nature (2016)

Die Simulationen reproduzieren das gesamte Messverfahren von 3D-PLI: ausgehend vom Modell (synthetische Faserkonstellationen) bis hin zum fertigen Bild (Faserorientierungskarte). Die Simulationen ermöglichen es, Hypothesen über die zugrunde liegende Faserstruktur des Hirngewebes zu testen.
Der auf linearer Optik basierende Simulationsansatz modelliert die Doppelbrechung der Gehirnschnitte. Indem die Faserrichtungen des Simulationsmodells mit Ergebnissen aus der 3D-PLI Messung verglichen werden, können Fehlinterpretationen bei der Faserrekonstruktion identifiziert werden (Dohmen et al. 2015).

Vergleich einer 3D-PLI Messung und Simulationsergebnissen mit linearer Optik am Beispiel der Sehnervenkreuzung einer Klappmützeadaptiert von Dohmen et al. 2015
Copyright: Elsevier (2015)

Mit Hilfe des elektrodynamischen Simulationsansatzes können komplexe Wechselwirkungen von Licht und Gewebe untersucht werden, wie Streuung und Interferenz. Dies ermöglicht es z.B. die Intensität von Licht zu untersuchen, das durch einen Gehirnschnitt transmittiert wird (Menzel et al. 2018, 2019).

Vergleich eines Durchlichtmikroskopie-Bildes mit Elektrodynamik-Simulationen von Regionen mit flachen und steilen Nervenfaserbündelnadaptiert von Menzel et al. 2018
Copyright: Miriam Menzel, Forschungszentrum Jülich GmbH

Ausgewählte Publikationen

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book
Efficient construction of geometric nerve fiber models for simulation with 3D-PLI
Bildverarbeitung für die Medizin 2019
Bildverarbeitung für die Medizin, LübeckLübeck, Germany, 17 Mar 2019 - 19 Mar 20192019-03-172019-03-19
Berlin, Heidelberg : Springer, Handbook of Experimental Pharmacology 333-339 () [10.1007/978-3-658-25326-4_73] BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Preprint
Dense Fiber Modeling for 3D-Polarized Light Imaging Simulations
OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext by arXiv.org Download fulltextFulltext by OpenAccess repository BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Journal Article
Diattenuation Imaging reveals different brain tissue properties
Scientific reports 9(1), 1939 () [10.1038/s41598-019-38506-w] OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext by OpenAccess repository BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Preprint
Finite-Difference Time-Domain simulations of transmission microscopy enable a better interpretation of 3D nerve fiber architectures in the brain
() OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext Download fulltextFulltext by arXiv.org Download fulltextFulltext by OpenAccess repository BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Journal Article
Improving the Realism of White Matter Numerical Phantoms: A Step toward a Better Understanding of the Influence of Structural Disorders in Diffusion MRI
Frontiers in physics 6, 12 () [10.3389/fphy.2018.00012] OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext by OpenAccess repository BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Journal Article
Diattenuation of Brain Tissue and its Impact on 3D Polarized Light Imaging
Biomedical optics express 8(7), 3163-3197 () [10.1364/BOE.8.003163] OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext by OpenAccess repository BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Contribution to a conference proceedings/Contribution to a book
Finite-Difference Time-Domain Simulation for Three-dimensional Polarized Light Imaging
Brain-Inspired Computing
International Workshop on Brain-Inspired Computing, BrainComp 2015, CetraroCetraro, Italy, 6 Jul 2015 - 10 Jul 20152015-07-062015-07-10
Luxemburg : Springer, Lecture Notes in Computer Science 10087, 73-85 () [10.1007/978-3-319-50862-7_6]   Download fulltextFulltext BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Journal Article
Estimating Fiber Orientation Distribution Functions in 3D-Polarized Light Imaging
Frontiers in neuroanatomy 10, 40 () [10.3389/fnana.2016.00040] OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext by OpenAccess repository BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Journal Article
A Jones matrix formalism for simulating three-dimensional polarized light imaging of brain tissue
Interface 12(111), 20150734 () [10.1098/rsif.2015.0734]  Download fulltext Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png Journal Article
Understanding fiber mixture by simulation in 3D Polarized Light Imaging
NeuroImage 111, 464–475 () [10.1016/j.neuroimage.2015.02.020]  Download fulltext Files BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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Leiter der Arbeitsgruppe

Dr. rer. nat. Markus Axer

Gebäude: 15.9, Raum: 3029

Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)
Forschungszentrum Jülich
52425 Jülich

Telefon: +49 2461 61-6314
Fax: +49 2461 61-2820
E-Mail: m.axer@fz-juelich.de

Management

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Gebäude: 15.9, Raum: 3021

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Janine Hucko

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+49 2461 61-3483
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Adresse

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Forschungszentrum Jülich
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