Polarized Light Imaging (PLI) des menschlichen Hirnstammes

Es wurden 18 menschliche Hirnstämme mithilfe des Polarized Light Imaging (PLI) untersucht. Die Methode ist in Aachen und Jena entwickelt worden und erlaubt es, die Nervenfaserorientierung in histologischen Serienschnitten in jedem Punkt eines Präparates automatisiert zu berechnen. Die 18 Hirnstämme wurden seriell auf 100 µm geschnitten. Es ergaben sich 1000 – 1500 histologische Schnitte pro Hirnstamm, die anschließend mithilfe einer eigens entwickelten Polarisationsoptik, einer Digitalkamera und eines PCs digitalisiert wurden. Die hieraus gewonnen seriellen Faserorientierungskarten wurden analysiert und dreidimensional rekonstruiert. Die Zusammenfassung der 18 Modelle soll im Verlauf einen anatomischen, probabilistischen Faserorientierungsatlas liefern. Es ließen sich in jedem Schnitt spezifische Faserbündel segmentieren. Dies wurde aufgrund der dazu notwendigen neuroanatomischen Expertise manuell durchgeführt und als eigenständiger Datensatz gespeichert, aus dem dann die dreidimensionale Rekonstruktion der Faserbahnen erfolgte. Der fertige Atlas soll als Wissensbasis und als Ergänzung zu bereits existenten Atlanten dienen, die bislang keine reliable Darstellung der Faserbündelorientierung garantieren. In 7 der dreidimensionalen Hirnstamm-Modelle wurden die Pyramidenbahnen beider Seiten segmentiert. Unterschiede zwischen den Pyramidenbahnvolumina männlicher und weiblicher Hirnstämme können bislang nicht signifikant nachvollzogen werden und auch keine Seitenunterschiede. Deutlich wurde jedoch eine eindeutige Altersabhängigkeit der Pyramidenbahnvolumina

Microstructural Analysis of Human White Matter Architecture Using Polarized Light Imaging: Views from Neuroanatomy

To date, there are several methods for mapping connectivity, ranging from the macroscopic to molecular scales. However, it is difficult to integrate this multiply-scaled data into one concept. Polarized light imaging (PLI) is a method to quantify fiber orientation in gross histological brain sections based on the birefringent properties of the myelin sheaths. The method is capable of imaging fiber orientation of larger-scale architectural patterns with higher detail than diffusion MRI of the human brain. PLI analyses light transmission through a gross histological section of a human brain under rotation of a polarization filter combination. Estimates of the angle of fiber direction and the angle of fiber inclination are automatically calculated at every point of the imaged section. Multiple sections can be assembled into a 3D volume. We describe the principles of PLI and present several studies of fiber anatomy as a synopsis of PLI: six brainstems were serially sectioned, imaged with PLI, and 3D reconstructed. Pyramidal tract and lemniscus medialis were segmented in the PLI datasets. PLI data from the internal capsule was related to results from confocal laser scanning microscopy, which is a method of smaller scale fiber anatomy. PLI fiber architecture of the extreme capsule was compared to macroscopical dissection, which represents a method of larger-scale anatomy. The microstructure of the anterior human cingulum bundle was analyzed in serial sections of six human brains. PLI can generate highly resolved 3D datasets of fiber orientation of the human brain and has high comparability to diffusion MR. To get additional information regarding axon structure and density, PLI can also be combined with classical histological stains. It brings the directional aspects of diffusion MRI into the range of histology and may represent a promising tool to close the gap between larger-scale diffusion orientation and microstructural histological analysis of connectivity