3D-billeder giver vigtig ny viden om hjernens sundhed

mandag 15 feb 21

Kontakt

Mariam Andersson
Ph.d.-studerende
DTU Compute

Kontakt

Tim Bjørn Dyrby
Lektor
DTU Compute
45 25 34 24

Læs mere i artiklen i PNAS

PNAS, December 29, 2020 117 (52) 33649-33659; først publiceret December 21, 2020; ‘Axon morphology is modulated by the local environment and impacts the noninvasive investigation of its structure–function relationship’ - Af Mariam Andersson, Hans Martin Kjer, Jonathan Rafael-Patino, Alexandra Pacureanu, Bente Pakkenberg, Jean-Philippe Thiran, Maurice Ptito, Martin Bech, Anders Bjorholm Dahl, Vedrana Andersen Dahl og Tim B. Dyrby

MAX4Imagers-projektet

  • Axon-forskningen er en del af MAX4Imagers-projektet med DTU Compute - sektionen Visual Computing, DRCMR, Rigshospitalet, Københavns Universitet samt det dansk-svenske synkrotronstrålingsanlæg i Lund i Sverige, MAX IV.
  • Projektet er støttet af Region Hovedstadens Forskningsfond til Sundhedsforskning, og det er sat i søen for at vise potentialet ved at bruge røntgenstrålings-faciliteter til at få ny viden inden for præklinisk forskning på hospitaler.

DTU Compute har udviklet algoritmer og værktøjer til billedanalyser, som øger forståelsen af sygdomme og kan føre til bedre diagnose og behandling, blandt andet ved forbedret MR-teknik.

Hjernen er involveret i alt i vores krop. Når sygdomme sætter sig på hjernen - de såkaldt neurodegenerative sygdomme som Alzheimers, ALS og multipel sklerose - nedbryder de gradvist menneskets evne til at koncentrere sig, tale, huske og bevæge sig.

Trods omfattende forskning er der meget, som vi stadig ikke ved om hjernen. Her kan et nyt forskningsresultat med DTU-folk involveret få stor betydning. Forskerne har undersøgt hjernevæv på en ny måde ved hjælp af 3D-billeder med hidtil uset høj detaljeringsgrad. De viser, at strukturen i hjernens opbygning er anderledes, end man indtil nu har troet.

"I sidste ende kan denne viden føre til en bedre forståelse af sygdomme, mere nøjagtige diagnoser og bidrage til vores søgen efter personlig medicin ved forbedringer i billeddannelsesteknologier og lægemiddeludvikling," fortæller Mariam Andersson, ph.d.-studerende fra DTU Compute og DRCMR, Danish Research Centre for Magnetic Resonance, på Amager og Hvidovre Hospital.

Forskerne er tilknyttet projektet MAX4Imagers, og målingerne er udført på verdens ypperste røntgenkildeanlæg, synkrotronen på European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble i Frankrig. Resultatet af de detaljerede 3D-billeder er så bemærkelsesværdig ny viden, at det netop er blevet offentliggjort i tidskriftet PNAS, ligesom ESRF selv fremhæver det på forskningsfacilitetens hjemmeside.

Hjernens kommunikationskabler ændrer form

I hjernen taler neuronerne (hjernecellerne) sammen ved hjælp af signaler, der sendes fra den ene hjernecelle til den anden gennem hjernens kommunikationskabler kaldet axoner.

I over hundrede år har man troet, at axoner var cylinderformede, men ved hjælp af de nye 3D-billeder kan man se, at formen ændrer sig efter omgivelserne. Så hjernen er måske opbygget lidt mere robust, end man hidtil har troet, forklarer projektleder for MAX4Imagers-projektet og lektor på DTU Compute og DRCMR Tim Dyrby:

"Man kan sammenligne axoner med spaghetti og kødboller med omgivelser, der skubber og deformerer de blødere spaghetti-axoner for at få plads, men spaghettien holder stadig sammen som tråde. Vi ved, at formen på axonerne har stor betydning for, hvor hurtigt signaler kan blive transporteret i hjernen, så denne formændring må betyde noget."

Forbedre biofysiske modeller af hjernevæv

Forskerne arbejder normalt med MRI-teknikker; diffusion magnetic resonance imaging. Når de MR-scanner patienters hjerner, kan de måle neuroner og nervebaner og få viden, som man ellers kun kan se i et mikroskop, når patienten er død. MR-billederne passer dog ikke altid med den kliniske tilstand hos patienterne.

The picture: On left: Large axons of varying diameter (see colour bar) within an x-ray nano-holotomography volume of the white matter from a brain.   Second from left: the paths of the axons are affected by the positions of cell clusters (in blue).   Third from left: vacuoles (green) could also be found in the tissue and affected the diameter of axons. Right: Large crossing axons, travelling in different directions (represented by the green/yellow colours), in another region of the white matter. The large field-of-view accessible via the synchrotron imaging experiments allows for the tracking of two axons that twist around each other (in red and blue).

Billedbeskrivelse: Til venstre: Store axoner med varierende diameter (se farvelinje) inden for et røntgen-nano-holotomografi-volume af det hvide væv udtaget fra en hjerne. Den billedmæssige opløsning er 75 nm. Nummer 2 til venstre: Axonernes stier påvirkes af positionerne for celleklynger (i blåt). Nummer 2 fra højre: 3D-billederne viste også nogle af de væskefyldte laguner (vacuoler) (grøn), som også påvirkede diameteren af axoner, men ingen ved rigtigt hvad disse er. Til højre: Store krydsende axoner, der bevæger sig i forskellige retninger (repræsenteret af de grønne / gule farver), i et andet område af vævet fra hjernens hvide substans. Det store synsfelt, der er tilgængeligt via synkrotron-billeddannelseseksperimenter, muliggør sporing af to axoner, der vrides rundt om hinanden (i rødt og blåt).

"Med vores nye viden fra 3D-synkrontonbillederne kan vi nu justere de biofysiske modeller af hjernevæv, så de nye MRI-teknologier mere præcist kan måle, hvad der foregår oppe i hjernen.  Så vil lægerne ud fra scanningsbillederne kunne stille mere præcise diagnoser," siger Tim Dyrby.

Fx betyder øget plasticitet i hjernen, at den kan omrokere information via andre forbindelser eller tilpasse sig de ændringer, som ødelagte forbindelser giver. Det er derfor, at nogle sygdomme kan ’skjule’ sig i længere tid, inden man ser en effekt på patienten.

"I sidste ende kan denne viden føre til en bedre forståelse af sygdomme, mere nøjagtige diagnoser og bidrage til vores søgen efter personlig medicin ved forbedringer i billeddannelsesteknologier og lægemiddeludvikling"
Mariam Andersson, ph.d.-studerende

Netop dér vil forbedrede billedanalyser af axonernes form kunne være med til at afsløre neurodegenerative sygdomme som multipel sklerose, der fortrinsvis angriber axoner af en bestemt størrelse. Der går dog nok op mod seks år, før teknologien er implementeret i sygehusvæsenet.

Krævende databehandling har ført til nyt DTU-center

Forskningssamarbejdet omkring synkrotron-billeddataene har i øvrigt tydeligt vist, at der er behov for ekspertise til databehandlingen. For selv om det kun tager få timer at optage et af disse kæmpe datasæt, er kompleksiteten i dataanalysen en begrænsende faktor. Hvert 3D-billede fylder 32 GB.

Det er årsag til, at DTU i samarbejde med KU og MAX IV har etableret QIM, Center for Quantification of Imaging Data. DTU-centret skal hjælpe og vejlede synkrotronbrugere, fx hospitaler, med at analysere data i forbindelse med brugen af forskningsfaciliteten MAX IV i Sverige. Det betyder også, at metoderne fra MAX4Imager-projektet kan blive yderligere udviklet og komme brugerne til gavn.

Mariam Andersson har været med i udviklingen af de nye matematiske algoritmer og værktøjer til billedanalyserne, så man har kunnet trække information ud om axoner og sammenligne med, hvad man vidste i forvejen.

"Vi har gjort alle big-synkrotron-data og resultater frit tilgængelige. Og gennem QIM arbejder DTU på at lægge alle algoritmer samt værktøjer til billedanalyser af synkrotron-billederne frit frem, så andre forskere kan lære teknikken at kende og selv trække viden ud af big data og 3D-billeder," siger Mariam Andersson.

 

Ordliste

Axon:

  • Axon er hjernens kommunikationskabler, også kaldet nervefibre. Når hjerneceller (neuroner) taler sammen sker det ved hjælp af signaler sendt gennem axoner.
    Kilde: https://www.britannica.com/

Synkrotron: 

  • En synkrotron er en ringformet partikelaccelerator med en omkreds på flere hundrede meter. ESRF har en omkreds på 844 meter.
  • I acceleratoren accelereres elektroner til meget høj fart i baner styret af magnetfelter, hvorved der dannes røntgenstråler.
  • Ved hjælp af røntgenstråler kan man undersøge strukturen i materialer eller levende stof ned på atomniveau.
  • Røntgenstrålerne er mange milliarder gange bedre end udstyr på sygehuse.
  • Synkrotronen er i gang døgnet rundt. Der køres mange forskellige forsøg samtidigt fordelt i såkaldt beamlines, hvor udstyret er tilpasset bestemte typer prøver, og hvor robotarme placerer prøverne i særlige holdere.
  • DTU’s vævsprøve undersøgt på ESRF var 1 mm bred og 3 mm lang og indkapslet i plastik. Plastikken var pudset glat, så der ikke var nogen kanter, der ville reflektere røntgenstrålingen og forstyrre kameraet, der optog data.
  • 3D-synkrotronbilleder fylder hver 32 GB diskplads. Det kræver helt nye algoritmer og softwareværktøjer at lave billedanalyser for at fortolke billederne.
    Kilde: MAX IV,
    European Synchrotron Radiation Facility m.fl.

 

Relaterede Videoer  

video thumbnail image

video thumbnail image

video thumbnail image

video thumbnail image

Vis flere