Polarisationsoptische Methodik zur Herstellung eines 3D Fasermodells des menschlichen Hirnstamms

Leunert, Matthias

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur dreidimensionalen Darstellung von Nervenfaserbahnen im Hirnstamm des adulten menschlichen Gehirns. Hierzu wird ein neues polarisationsoptisches Verfahren entwickelt, das sich die polarisationsoptischen Eigenschaften der Myelinscheiden zunutze macht und erlaubt, den Nervenfaserverlauf in ungefärbten histologischen Schnitten des Gehirns darzustellen und zu beurteilen. Ein in Formalin fixiertes Gehirn wird zunächst makroskopisch präpariert und anschließend seriell in Schnitte à 100 μm Dicke geschnitten. Von jedem einzelnen Gehirnschnitt werden mit Hilfe einer eigens entwickelten polarisationsoptischen Apparatur und einer Digitalkamera polarisationsoptische Bildsequenzen erzeugt. Anhand dieser sequenzierten Bilder werden mit Hilfe eines Bildverarbeitungsprogramms Neigungs- (über die Tiefe des Präparats) und Richtungswinkel (in der Schnittebene des Präparats) der Nervenfasern automatisiert errechnet. Für jede Gewebescheibe wird dann eine Karte der Faserrichtungswinkel und der Faserneigungswinkel erstellt, die sogenannte Faserorientierungskarte. Aus den Faserorientierungskarten der Hirnschnitte wird dann über eine euklidische Formel die Ausrichtung der Präparate zueinander berechnet und diese werden als dreidimensionales Hirnstammmodell rekonstruiert. Manuell werden anhand der Faserorientierungskarten an jedem Schnitt spezifische Faserbündel segmentiert. Die manuelle Segmentierung erfolgt wegen der individuell notwendigen neuroanatomischen Beurteilung der verschiedenen Verläufe der Faserbündel. Abschließend werden aus den segmentierten Faserkarten dreidimensionale digitalisierte Modelle der Faserbahnen des Hirnstamms generiert (Pyramidenbahn, Lemniscus medialis, Tractus spinothalamicus, Fasciculus longitudinalis medialis, etc.). Die in dieser Arbeit aufgezeigte Darstellung von Nervenfaserbahnen in Hochauflösung mittels polarisierten Lichts gestattete einen ersten dreidimensionalen Prototyp eines 3D-Hirnstammatlas zu generieren.

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Leunert, Matthias: Polarisationsoptische Methodik zur Herstellung eines 3D Fasermodells des menschlichen Hirnstamms. 2015.

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