Zenuwbanen in het brein beter in beeld

Diffusie

Diffusie-MRI gaat nog een stap verder: de radiostraling die de watermoleculen uitzenden, vertelt ook welke snelheid ze hebben. Moleculen in een vloeistof bewegen altijd chaotisch door elkaar heen – diffusie – maar als het water in een microscopisch nauw buisje zit, heeft die chaotische beweging een voorkeursrichting: er is meer diffusie in de lengte dan in de breedte van het buisje, en dit is af te lezen aan het radiosignaal dat de gemagnetiseerde moleculen uitzenden. Een vergelijkbaar principe is van toepassing in het brein. Omdat zenuwcellen via lange, dunne uitlopers – axonen – contact met elkaar leggen, kan diffusie-MRI in beginsel verbindingen in het brein opsporen.

Maar de praktijk is verre van simpel. Dela Haije: “Watermoleculen hebben interactie met alles, en hersenweefsel is heel complex.” En de dataset die één scan oplevert is enorm. Een voxel (een pixel in een 3D-beeld) van een moderne MRI-scan is, in de hoogste resolutie, ongeveer 1 × 1 × 1 millimeter, dus een scan van een heel brein (ongeveer anderhalve liter) omvat 1,5 miljoen voxels. Iedere voxel moet tientallen keren worden bekeken om een indruk te krijgen van de moleculaire bewegingen, en bij elke meting hoort een complex radiosignaal dat het gemiddelde is van miljoenen watermoleculen.

Ingewikkeldere vervormingen

Dela Haije onderzocht in zijn proefschrift onder meer of de Finsler geometrie hier soelaas kan bieden. De Finsler geometrie laat ingewikkeldere vervormingen van de ruimte toe. Daardoor is het wel mogelijk om elkaar kruisende zenuwbanen weer te geven (zie rechter afbeelding voor een schematisch voorbeeld).
Uit zijn onderzoek bleek dat de Finsler geometrie in simpele patronen van zenuwbanen net zo goed presteert als de Riemannse geometrie, en in gecompliceerde situaties beter. Tot nu toe heeft hij dit uitgeprobeerd op openbare diffusie-MRI-datasets van gezonde proefpersonen.

Hoewel deze geometrische methodes voor een leek moeilijk te begrijpen zijn, en misschien overdreven abstract lijken, vormen ze een machtige gereedschapskist. Dela Haije: “Door deze aanpak kunnen we de resultaten van honderden jaren wiskundig onderzoek gebruiken.”

Dela Haije werkt inmiddels in Denemarken verder aan nog geavanceerder technieken voor de analyse van diffusie-MRI-scans: “Hoe veel informatie kunnen we er nog méér uithalen? Dat willen we beter begrijpen.”

Valspositieven

Dat blijft hard nodig, want diffusie-MRi is nog lang niet perfect. In een groot overzichtsartikel dat vorig jaar op BioRXiv (een online archief met natuurwetenschappelijke artikelen) verscheen, wordt zelfs gesteld dat de meeste zenuwbanen die uit diffusie-MRI-scans opduiken, valspositieven zijn. Dela Haije: “Sommige grote zenuwbanen kunnen we met zulke scans redelijk goed inschatten, bijvoorbeeld tussen de ogen en de visuele cortex, die in het achterhoofd ligt. Dat kan bruikbaar zijn, want die wil je bij operaties graag ontwijken. Maar over het gehele brein bekeken, zijn zenuwbanen nu nog niet automatisch te reconstrueren.”

Maar in menig opzicht is diffusie-MRI het beste wat we hebben om de organisatie van het brein te doorgronden: “Het grote voordeel van diffusie-MRI is dat je levend weefsel kunt bekijken; dood hersenweefsel verliest binnen een paar uur al veel structuur. Als alternatief kun je nog proberen om hersens snel in te vriezen, in heel dunne plakjes te snijden en met de microscoop de verbindingen te volgen. Maar het gaat om miljarden zenuwbanen die elk maar een duizendste millimeter dik zijn. Het is een enorme uitdaging om al die plakjes exact op elkaar te laten passen. Uiteindelijk moeten deze methodes allemaal samen worden gebruikt, om de een met de ander te valideren.”