Verbund

Computergestützte Untersuchung des menschlichen Hirnstamms im 9,4 Tesla MRT

Das BMBF ist Partner der multilateralen Förderinitiative „Collaborative Research in Computational Neuroscience (CRCNS)“ der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF). In diesem Rahmen fördert das BMBF den deutschen Partner in gemeinsamen Projekten deutscher, amerikanischer, israelischer und französischer Forschungsgruppen.

Im vorliegenden Verbundprojekt arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität und des Max-Planck-Instituts Tübingen mit einer amerikanischen Arbeitsgruppe am Baylor College of Medicine in Houston zusammen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Funktionsweise der sogenannten Ultra-Hochfeld-Magnetresonanztomographie (UHF-MRT) zu verbessern. Die MRT ist ein bildgebendes Verfahren, das eine nicht-invasive Darstellung von Struktur und Funktion verschiedener Gewebe und Organe wie zum Beispiel des Gehirns ermöglicht. Sie wird routinemäßig bei der Diagnose und Überwachung von Krankheiten eingesetzt. Ziel dieses Projektes ist die Weiterentwicklung der funktionellen und anatomischen Bildgebung, um auch kleinere Gehirnstrukturen gut darstellen zu können. Dieses Projekt betrachtet dazu die sogenannten Colliculi superiores im Hirnstamm. Diese Strukturen verarbeiten verschiedene sensorische Informationen. Sie werden auch mit neurologischen Störungen in Verbindung gebracht. Die Projektergebnisse können einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der Magnetresonanztomographie und auch zum Verständnis der funktionellen Bedeutung der Colliculi superiores im intakten und im geschädigten menschlichen Gehirn leisten.

Teilprojekte

Studien der Colliculi superiores und somatovisuelle Integration

Förderkennzeichen: 01GQ1805A
Gesamte Fördersumme: 172.981 EUR
Förderzeitraum: 2019 - 2022
Projektleitung: PD Dr. Marc Himmelbach
Adresse: Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Universitätsklinikum und Medizinische Fakultät, Zentrum für Neurologie, Sektion Neuropsychologie
Hoppe-Seyler-Str. 3
72076 Tübingen

Studien der Colliculi superiores und somatovisuelle Integration

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Sequenzen, Analysemethoden und Modellen zur Untersuchung des menschlichen Hirnstamms mithilfe der 9,4 T Magnetresonanztomographie (MRT). Diese Methoden sollen bei Studien an den Colliculi superiores (CS) angewandt und validiert werden. Die CS sind makroanatomisch mithilfe von MRT-Aufnahmen des Hirnstamms sicher zu lokalisieren. Zugleich ist ihre mesoskopische und mikroskopische Anatomie im Menschen in-vivo nicht zugänglich. Die CS sind ein gut untersuchtes System der multisensorischen Integration in Tiermodellen und werden mit neurologischen Störungen in Verbindung gebracht. In Vorarbeiten wurde bei einer 3T MRT Studie ein 10-fach niedrigeres Kontrast-Rausch-Verhältnis (Contrast-to-Noise-Ratio, CNR) in den CS im Vergleich zum primären visuellen Kortex (V1) gefunden. In diesem Projekt soll 1) die Erhöhung der CNR in einer 9,4T MRT Studie im V1 und CS quantifiziert werden, 2) die Verteilung des Signalrauschens in V1 und CS bei 3T und 9,4T verglichen werden, und 3) die Passung des typischen HRF-Modells als Impulsantwort eines linearen, zeit-invarianten Systems an die Signalcharakteristik des Hirnstamms verbessert werden. In vorhergehenden Arbeiten konnten die dynamischen Veränderungen der kortikalen hämodynamische Antwortfunktion (haemodynamic response function (HRF) im Kortex bei 3T in einem arteriellen Impuls Modell (AIM) besser als mit dem bislang verwendeten Balloon Modells beschrieben werden. Dieses AIM soll in diesem Projekt auf die Hirnstammdaten bei 9,4T angewendet werden. Außerdem soll eine probabilistische Karte der Schichten der CS erstellt werden. Dazu wird ein polares, der Struktur des Hirnstamms besser angepasstes Koordinatensystem entwickelt. Diese neu entwickelten Methoden wenden in einer beispielhaften Untersuchung der somatosensorischen Funktionen der humanen CS angewendet werden.

Anatomische und funktionelle Studien

Förderkennzeichen: 01GQ1805B
Gesamte Fördersumme: 323.285 EUR
Förderzeitraum: 2019 - 2022
Projektleitung: Prof. Dr. Klaus Scheffler
Adresse: Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik
Max-Planck-Ring 8
72076 Tübingen

Anatomische und funktionelle Studien

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Sequenzen, Analysemethoden und Modellen zur Untersuchung des menschlichen Hirnstamms mithilfe der 9,4 T Magnetresonanztomographie (MRT). Diese Methoden sollen bei Studien an den Colliculi superiores (CS) angewandt und validiert werden. Die CS sind makroanatomisch mithilfe von MRT-Aufnahmen des Hirnstamms sicher zu lokalisieren. Zugleich ist ihre mesoskopische und mikroskopische Anatomie im Menschen in-vivo nicht zugänglich. Die CS sind ein gut untersuchtes System der multisensorischen Integration in Tiermodellen und werden mit neurologischen Störungen in Verbindung gebracht. In Vorarbeiten wurde bei einer 3T MRT Studie ein 10-fach niedrigeres Kontrast-Rausch-Verhältnis (Contrast-to-Noise-Ratio, CNR) in den CS im Vergleich zum primären visuellen Kortex (V1) gefunden. In diesem Projekt soll 1) die Erhöhung der CNR in einer 9.4T MRT Studie im V1 und CS quantifiziert werden, 2) die Verteilung des Signalrauschens in V1 und CS bei 3T und 9,4T verglichen werden, und 3) die Passung des typischen HRF-Modells als Impulsantwort eines linearen, zeit-invarianten Systems an die Signalcharakteristik des Hirnstamms verbessert werden. In vorhergehenden Arbeiten konnten die dynamischen Veränderungen der kortikalen hämodynamische Antwortfunktion (haemodynamic response function (HRF) im Kortex bei 3T in einem arteriellen Impuls Modell (AIM) besser als mit dem bislang verwendeten Balloon Modells beschrieben werden. Dieses AIM soll in diesem Projekt auf die Hirnstammdaten bei 9,4T angewendet werden. Außerdem soll eine probabilistische Karte der Schichten der CS erstellt werden. Dazu wird ein polares, der Struktur des Hirnstamms besser angepasstes Koordinatensystem entwickelt. Diese neu entwickelten Methoden wenden in einer beispielhaften Untersuchung der somatosensorischen Funktionen der humanen CS angewendet werden.