Nieuw licht op sterk vervlochten zenuwvezels in de hersenen

Het ontwarren van complexe zenuwvezels in de hersenen is sinds kort makkelijk toegankelijk met scattered light imaging (SLI): onderzoekers in Delft, Jülich (Duitsland) en Stanford (VS) hebben licht en röntgenverstrooiing met succes gecombineerd met MRI en wisten zo de banen van zenuwvezels van elkaar te onderscheiden, ook in hersengebieden met zeer verknoopte vezels. SLI legde de banen tot in het kleinste detail bloot, terwijl de techniek wezenlijk sneller en goedkoper is dan röntgenverstrooiing en MRI. Om beter te begrijpen hoe zenuwvezels in de hersenen zijn bedraad is het essentieel om de verstrikkingen gedetailleerd in kaart te brengen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift eLife.

Verbindingen in de hersenen
De verschillende hersengebieden zijn met elkaar verbonden via miljarden zenuwvezels. Deze verbindingen zijn essentieel voor het goed functioneren van de hersenen. De zoektocht naar een alomvattende kaart van alle neurale verbindingen staat of valt met beeldvormende technieken die deze vezels, veelal niet meer dan ongeveer een micrometer dun, kunnen ontwarren. Bijzonder uitdagend zijn gebieden met dicht opeengepakte en sterk vervlochten zenuwvezels. Miriam Menzel, universitair docent bij de afdeling Imaging Physics van de TU Delft, ontwikkelde de SLI-techniek om dergelijke vezelconstellaties te bestuderen: “We schijnen vanuit verschillende hoeken licht door haardunne hersenplakjes heen en analyseren de patronen die ontstaan door het verstrooide licht. We maken geen foto van neuronen of synapsen; we willen weten hoe ze bedraad zijn. Dat is belangrijk om te begrijpen hoe de hersenen functioneren en wat er mis kan gaan."

Toegankelijker, goedkoper en sneller
Small-angle X-ray scattering (SAXS) is een bestaande methode in de materiaalwetenschappen om te onderzoeken hoe verschillende structuren zijn georganiseerd met een synchrotron, terwijl diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) een belangrijke klinische techniek is voor het in kaart brengen van het driedimensionale zenuwvezelnetwerk van de hersenen. "We hebben nu aangetoond dat de uitkomsten van SLI consistent zijn met die van SAXS en dMRI in de onderzochte hersenplakjes, maar SLI biedt een hogere resolutie dan dMRI en is toegankelijker, goedkoper en sneller dan de andere technieken. Dit is een belangrijke mijlpaal", zegt Menzel. “SLI-metingen kunnen we uitvoeren met een eenvoudige ledlamp en camera binnen enkele seconden, zonder dat daar synchrotrons van miljoenen euro’s of MRI-scanners voor nodig zijn. En als draagbaar systeem zou SLI makkelijk ingezet kunnen worden in pathologie-laboratoria om klinisch onderzoek te ondersteunen.”

Microscopische resolutie
Menzel heeft de afgelopen jaren aan de SLI-techniek gewerkt, eerst in Jülich en nu in Delft. Ze implementeerde het ook in Stanford, waar haar collega-onderzoekers SAXS- en dMRI-metingen uitvoerden op hersenmonsters die ook met SLI waren onderzocht. "De meeste beeldvormingstechnieken hebben moeite om individuele paden te onderscheiden in dichte hersenstructuren die veel vervlochten of verstrengelde zenuwvezels bevatten", legt Menzel uit. "SLI leverde vezeloriëntatiekaarten met microscopische resolutie voor deze opeengepakte gebieden." Vooral de tweedimensionale (horizontale) vezeloriëntaties werden met grote nauwkeurigheid onderscheiden.

Volgende stappen
“In Delft zijn biedt geweldige mogelijkheden om SLI verder te ontwikkelen en om aan nieuwe toepassingen te werken”, zegt Menzel. Het team is van plan om SLI ook toe te passen op andere soorten vezels, zoals spier- en collageenvezels, en om het weefselgebied dat kan worden bestudeerd te vergroten. Beoogd wordt een klein en draagbaar systeem te ontwikkelen dat eenvoudig in andere labs kan worden ingezet. “Op termijn hopen we de techniek ook in klinieken toe te passen.”

Meer informatie
Using light and X-ray scattering to untangle complex neuronal orientations and validate diffusion MRI. Miriam Menzel, David Gräßel, Ivan Rajkovic, Michael M Zeineh, Marios Georgiadis. eLife 12:84024 (2023) DOI:  https://doi.org/10.7554/eLife.84024