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28.06.2018
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Google Maps für das Kleinhirn

Göttinger Team stellt Millionen Nervenzellen mit Hilfe von PETRA III dar

Ein Göttinger Forscherteam hat eine besondere Variante der Röntgenbildgebung erfolgreich an Hirngewebe angewendet. Mit der Kombination von höchstauflösenden Messungen an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III und Aufnahmen einer Laborquelle konnte die Gruppe um Tim Salditt vom Institut für Röntgenphysik der Georg-August-Universität Göttingen etwa 1,8 Millionen Nervenzellen in der Kleinhirnrinde darstellen. Die Forscher beschreiben die Untersuchungen mit der sogenannten Phasenkontrasttomografie in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften (PNAS).

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Ergebnis der Phasenkontrasttomographie an DESYs Röntgenquelle PETRA III. Bild: Töpperwien et al., Universität Göttingen
Das menschliche Kleinhirn beherbergt auf 10 Prozent des Gehirnvolumens etwa 80 Prozent aller Nervenzellen – auf einen Kubikmillimeter können also über eine Million Nervenzellen entfallen. Diese verarbeiten Signale, welche vor allem erlernte und unbewusste Bewegungsabläufe steuern. Ihre genauen Positionen und Nachbarschaftsbeziehungen sind aber bislang weitgehend unbekannt. „Durch Tomografie im sogenannten Phasenkontrastmodus und der anschließenden automatisierten Bildbearbeitung können die Zellen in ihrer genauen Lage lokalisiert und dargestellt werden“, erklärt Mareike Töpperwien vom Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen, Hauptautorin der Veröffentlichung.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entnahmen mit einer Biopsie-Nadel zylindrische Gewebeproben aus Gewebeblöcken, um sie in einem speziellen Phasenkontrast-Tomografen zu vermessen, den Salditts Arbeitsgruppe entwickelt hat. Konventionelle Instrumente haben den Nachteil, dass kleine Strukturen sowie Gewebe geringer Dichte – wie bei Nervenzellen – wenig bis keinen Kontrast geben und daher nicht abgebildet werden können. Die innovative Methode der Göttinger setzt hingegen nicht auf die Absorption der Röntgenstrahlung, sondern auf die veränderte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Röntgenstrahlung. Die dadurch entstehenden Laufzeitunterschiede werden durch Strahlausbreitung auf einer Freiflugstrecke zwischen Objekt und Detektor indirekt sichtbar.

„Für biologische Proben ist dieser ‚Phasen‘-Kontrast bis zu 1000-mal intensiver und wird an PETRA III zur Bildgebung von Strukturen im Submikrometerbereich genutzt“, erläutert DESY-Forscher Michael Sprung, Leiter der Messstation P10, an der die Untersuchungen stattfanden. Ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter.

Um scharfe Abbildungen zu erhalten, bearbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Aufnahmen per Computer. Sie können dann die dreidimensionale Elektronendichte des Gewebes aus der gesamten tomografischen Bildreihe rekonstruieren. „Mit dieser Methode wollen wir in Zukunft auch pathologische Veränderungen, wie sie zum Beispiel bei neurodegenerativen Erkrankungen auftreten, dreidimensional darstellen, zum Beispiel Veränderungen des Nervengewebes bei Krankheiten wie der Multiplen Sklerose“, erklärt Ko-Autorin Christine Stadelmann-Nessler, Neuropathologin der Universitätsmedizin Göttingen.

Die Kombination von Aufnahmen unterschiedlicher Vergrößerungen ermöglichte dem Göttinger Team eine Kartierung des Kleinhirns über viele Größenordnungen. „In Zukunft möchten wir noch weiter in interessante Hirnregionen reinzoomen können, fast so wie bei Google Maps“, sagt Salditt. 

 

Originalveröffentlichung:
Three-dimensional virtual histology of human cerebellum by X-ray phase-contrast tomography; Mareike Töpperwien, Franziska van der Meer, Christine Stadelmann, and Tim Salditt; „PNAS“, 2018; DOI: 10.1073/pnas.1801678115