UvA-wetenschappers maken extreem gedetailleerde 3D-reconstructies van menselijk brein

Het volledig in kaart brengen van het menselijk brein is vanaf het begin een belangrijk doel binnen de neuroanatomie. Met niet-invasieve beeldvormende technieken zoals MRI kan het levende brein onderzocht worden, zij het met een beperkte mate van anatomisch detail. Meer detail kan worden verkregen door de hersenen onder de microscoop te bekijken, maar dat is uitsluitend mogelijk met de hersenen van overledenen. Het bleek een wetenschappelijke krachttoer om MRI en microscopie te combineren. UvA-wetenschappers, samen met een internationaal team, zijn er nu in geslaagd die brug te slaan. Het resultaat is een 3D-beeld van twee volledige breinen met een ongekende mate van detail. De bevindingen zijn op woensdag 27 april gepubliceerd in het tijdschrift ‘Science Advances’.

De onderzoekers van de UvA werkten meer dan vijf jaar samen om een brug te slaan tussen ultrahoogveld-MRI en microscopiebenaderingen om beelden van de hersenen te maken. Twee aan de wetenschap gedoneerde sets menselijke hersenen werden gedurende 21 uur in de MRI-scanner geplaatst en daarna gesneden en onder de microscoop onderzocht. De onderzoeksdata van de MRI en microscopie werden gecombineerd, wat resulteerde in beelden van de hersenen die bestudering op een detailniveau van 200 mm (0,2 mm) mogelijk maken.

Virtuele hersenontledingen
‘We zijn enthousiast over de nieuwe initiatieven die onze resultaten mogelijk gaan maken’, vertelt UvA-teamlid Anneke Alkemade. ‘Docenten kunnen de datasets bijvoorbeeld gebruiken voor neuroanatomietrainingen en virtuele hersenontledingen. En de mogelijkheid om MRI-resultaten te vergelijken met specifieke eiwitten die met microscopie zijn gevisualiseerd, geeft onderzoekers meer inzicht in slecht begrepen MRI-observaties, en biedt bovendien meer anatomisch detail in kleine hersenstructuren.’

Foto voor foto
De onderzoekers gebruikten een ultrahoog-veld 7Tesla MRI-systeem. Deze heeft een krachtiger magneet dan de MRI-systemen die normaal in ziekenhuizen worden gebruikt. De MRI-software werd door de onderzoekers speciaal voor het onderzoek geprogrammeerd om rekening te kunnen houden met de verschillen tussen levend en geconserveerd weefsel. Tijdens het snijden van het weefsel werd elk hersenplakje afzonderlijk gefotografeerd, zodat deze later konden worden gebruikt om de weefselvervorming in de microscopiepreparaten digitaal te corrigeren. De hersenplakjes werden op speciaal bestelde glasplaatjes gesleept en verwerkt met op maat gemaakte laboratoriumapparatuur.

Na digitalisering van alle microscopiedata ontwikkelden de onderzoekers nieuwe algoritmen om de weefselvervorming te corrigeren die als gevolg van het snijden en de weefselkleuring ontstond. Na weken van ononderbroken berekeningen was het team uiteindelijk in staat om volledige 3D-reconstructies te maken van beide sets gedoneerde hersenen.

Open Science
In lijn met de principes van Open Science heeft het team alle data vrij ter beschikking gesteld. Geïnteresseerde wetenschappers en onderzoeksinstellingen van over de hele wereld kunnen nu door de 3D-reconstructies van het menselijk brein reizen.

Bekijk de 3D-reconstructie

Publicatiegegevens
Anneke Alkemade, Pierre-Louis Bazin, Rawien Balesar, Kerrin Pine, Evgeniya Kirilina, Harald Moller, Robert Trampel, Johan Kros, Max Keuken, Ronald Bleys, Dick Swaab, Andreas Herrler, Nikolaus Weiskopf en Birte Forstmann: ‘A unified 3D map of microscopic architecture and MRI of the human brain’, in: Science Advances (27 April 2022). DOI: 10.1126/sciadv.abj7892