Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen...
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Bilder des Gehirnsverstehen
Max Planck Institut für biologische Kybernetik, TübingenNeurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis
UniversitätsSpitalZürich
Universität Zürich
Universitätsspital ZürichKlinik und Poliklinik für Nuklearmedizin
PD Dr. phil. Bruno Weber
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Gerhard Richter Seestück (Welle), 1969
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J. Physiol. 11, 1890
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Differenz
Die Milchbüechli-Rechnung der funktionellen Hirnbildgebung
Aufgabe A .
- Aufgabe B .
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Scanner am UniversitätsSpital Zürich
MRI PET
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Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (1999)
Hippocampus 7 (1997)
Neurology 51 (1998)
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1 Anatomie der Blutgefässe:Corrosion CastsAnti-Collagen ImmunohistochemieSynchrotron CT
2 In-vivo Experimente in der Ratte:Laser speckle Flussmessung,Autofluoreszenz Metabolismusmessung
3 In-vivo Experimente im Affen:Hochauflösende MRI MessungenGleichzeitige fMRI/optische Messungen
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SauerstoffO2
O2 O2
O2
BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie
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Sauerstoff
O2
O2
BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie
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Sauerstoff
O2
O2
BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie
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1 Anatomie der Blutgefässe
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III
III
IV
VI
V
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500 m
500 m
Rhesus AffeGyrus temporalis superior
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50 m
50 m
20 m
100 m
Rhesus AffeGyrus temporalis superior
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Arterie in der Hirnrinde der Ratte
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(a) Präkapilläre Arteriolen(b) Postcapilläre Venulen (c) Kapillaren
Immunohistochemiezur Quantifizierung der Gefässe
Anti-Kollagen Färbung der Basalmembran
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500 m
A B C D
IVc-IVc-
IIIIII
IVa
IVb
VVI
wm
E
tLAVA
FV
2
V
lL
P
V4
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io pmts
ip
sts sf
la
ec
luv1 v2 v4
v1
v2
v3
v2
v3 v3a
v4
v5
0 1 2 30
Volumen [%]0 500 1000
0
2
4
6
8
10
wm654c-4c-4b4a321
Längendichte [mm/mm3] 0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
V1 all
N=228
Gefässdurchmesser [Mikrometer]
Häu
figke
it [%
]
1234a4b4c-4c-56
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Swiss Light Source SLSPaul Scherrer Institut, Villigen
1.4 Mikrometer AuflösungFOV 1.4x1.4x1.4 mmMonochromatische Röntgenstrahlung 17.5 keV
Synchrotron-basierte Mikro-Computertomographie
ZusammenarbeitM. Stampanoni, A. Graso, R. Abela
Probe
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Barium Sulfat als CT Kontrastmittel
500 mg / ml BaSO4 (0.7 m Partikelgrösse)
Präfixierung mit Formalin (transkardial)BaSO4 InjektionTorlon Probenhalter
Vorteile dieser Probenaufbereitung
Relativ einfachErmöglichst nachfolgende Histologie
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Projektionen @ 0-180 Grad Rekonstruierte Schnitte
Digitale SegmentierungVolume rendering
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100 m
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100 m
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100 m
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100 m
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2 In-vivo Experimente in der Ratte
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FluoreszenzMikroskop
CCDKamera 785 nm Laser
450-490 nmAnregungs-
Licht
Flavoprotein-AutofluoreszenzOxidativer Metabolismus
Laser Speckle KontrastBlutfluss
Barrel-Cortex
Vibrissae
500 m
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c = / <I>
1 mm
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Zeitliche Aspekte
Barrel-Cortex
Vibrissae
500 m
![Page 32: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/32.jpg)
0
13
0
13
%
%
AF (Metabolismus) LSI (Blutfluss)
A
0
1
%
B
0
1
%
Räumliche Aspekte
1 mm
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zeitlich:
Zeit [s]
neuronale Aktivität
(oxidativer)Metabolismus Blutfluss
0.0 > 0.1 > 0.7
räumlich:
Distanz [m]- 500 0 500
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3 In-vivo Experimente im Affen
![Page 35: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/35.jpg)
Visuelle Stimulation
RF-Spule
Affenstuhl
MRI Labor am Max Planck Institut, D-Tübingen
![Page 36: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/36.jpg)
20 mm Spule
20 mm
![Page 37: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/37.jpg)
Optische Bildgebung im Magnetresonanz-Scanner
Messung der Blutoxygenierung sowohl optisch als auch mittels fMRI
Probleme: MR-Kompatibilität aller KomponentenUmbau der Elektronik
sehr beschränkte PlatzverhältnisseMiniaturisierung des Systems
Linsensystem
Hirnoberfläche
Linsensystem
~ 5 mm
~ 70 mm
~ 5 mmMR
10 m
ComputerCCD
150 mm
KameraElektronik
Licht Einkopplung
Hirnoberfläche
Linsensystem
~ 5 mm
~ 70 mm
~ 5 mmMR
10 m
ComputerCCD
150 mm
KameraElektronik
Licht Einkopplung
![Page 38: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/38.jpg)
Chronischeoptische Kammer
OptischesSystem
![Page 39: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/39.jpg)
MR Angiogramm
Optische Bildgebung
Hirnoberfläche
G04
![Page 40: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/40.jpg)
-5 0 5 10 15 20 25
-5
0
5
10
Zeit [sec]
Sign
alän
deru
ng [
%]
HbRHbO
BOLD
SauerstoffO2
O2 O2
O2
SauerstoffO2
O2 O2
O2
Sauerstoff
O2
O2
Sauerstoff
O2
O2
Sauerstoff
O2
O2
Sauerstoff
O2
O2
Zusammenspiel von:
1. Hirnaktivität2. Sauerstoffverbrauch3. Blutfluss
![Page 41: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/41.jpg)
Alfred Buck
Nikos Logothetis Mark Augath Stefan Weber Axel Oeltermann Anna Lena Keller
Gustav v. Schulthess Matthias Wyss
Frank Scheffold Charles Voelker Pavel Zakharov Amela GrosoMarco Stampanoni
D-Tübingen, MPI
Zürich, Universitätsspital
Fribourg, Physik Institut Villigen, SLS
Cyrill Burger
![Page 42: Bilder des Gehirns verstehen Max Planck Institut für biologische Kybernetik, Tübingen Neurophysiologie, Arbeitsgruppe Logothetis UniversitätsSpital Zürich.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081520/55204d8649795902118d9c30/html5/thumbnails/42.jpg)