Die Analyse und Auswertung von Nervenfasern ist ein zentrales Thema in der modernen Neurowissenschaft und Ophthalmologie. Fortschritte in der Bildgebungstechnologie, insbesondere in der optischen Kohärenztomographie (OCT) und Magnetresonanztomographie (MRT), haben neue Möglichkeiten eröffnet, die Struktur und Funktion von Nervenfasern detailliert zu untersuchen. Dieser Artikel beleuchtet die Grundlagen der Nervenfaseranalyse, verschiedene Untersuchungsmethoden und deren Anwendungen in der Diagnostik und Forschung.
Einführung in die Nervenfaseranalyse
Die Untersuchung von Nervenfasern ist essenziell, um die komplexe Funktionsweise des Gehirns und des Nervensystems zu verstehen. Neurowissenschaftler müssen die dreidimensionalen Verläufe und Verbindungen der Nervenfasern analysieren, um neurologische Erkrankungen besser zu verstehen und zu behandeln. Die Herausforderung besteht darin, die komplexen Kreuzungen von Nervenfasern präzise darzustellen und zu analysieren.
Optische Kohärenztomographie (OCT) in der Ophthalmologie
Die optische Kohärenztomographie (OCT) hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten zu einem der wichtigsten diagnostischen Verfahren in der Retinologie entwickelt. Moderne OCT-Geräte ermöglichen hochauflösende Bilder, die es erlauben, Netzhautschichten in vivo und nicht-invasiv detailliert zu beurteilen. Selbst geringe Abweichungen vom Normalbefund können mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Die korrekte Interpretation der OCT-Aufnahmen ist entscheidend für die Diagnostik, Therapieentscheidungen und die Prognoseabschätzung. Quantitative Analysen werden zunehmend als Endpunkte in klinischen Studien eingesetzt.
Technologien der OCT
Moderne OCT-Geräte nutzen Technologien wie Spectral Domain OCT (SD-OCT) oder Swept Source OCT (SS-OCT). Beide Technologien basieren auf Fourier-Transformationen zur Bildgebung, unterscheiden sich jedoch in der Art der Datenerfassung. SD-OCT-Geräte verwenden eine breitbandige Superlumineszenzdiode mit einer zentralen Wellenlänge von meist 840 nm und ein Spektrometer. SS-OCT verwendet eine Laserlichtquelle mit einer zentralen Wellenlänge von üblicherweise 1050 nm, die eine Serie von Lichtstrahlen mit sich kontinuierlich ändernder Wellenlänge in das zu untersuchende Gewebe sendet.
Detektoren messen die Amplitude und Zeitverzögerung des vom Augenhintergrund reflektierten bzw. gestreuten Laserlichts und erkennen Interferenzmuster. Diese Muster entstehen durch die Kombination der vom Gewebe reflektierten Lichtstrahlen mit einem Referenzstrahl. Aus diesen Informationen generieren Algorithmen axiale Scans, die als A-Scans bezeichnet werden. Ein OCT-B-Scan oder Querschnittsbild entsteht durch die sequenzielle Aufnahme mehrerer benachbarter A-Scans. Werden OCT-B-Scans an benachbarten Positionen mit einem Rasterscanmuster wiederholt, kann ein dreidimensionaler Volumenscan erzeugt werden.
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Die Scangeschwindigkeit von kommerziell erhältlichen SD-OCT-Geräten liegt zwischen etwa 20.000 und 125.000 A-Scans pro Sekunde (20-125 kHz) und ist damit um ein Vielfaches schneller als die der früher verbreiteten Time-Domain-OCT-Geräte. Mit SS-OCT-Technologie können sogar noch höhere Scangeschwindigkeiten erreicht werden. Eine hohe Scangeschwindigkeit ermöglicht die Aufnahme von mehr OCT-B-Scans in einer akzeptablen Untersuchungszeit.
Einflussfaktoren auf die Bildqualität
Um eine optimale Bildqualität zu gewährleisten, ist es wichtig, dass keine vermeidbare Lichtstreuung auftritt. Dies kann durch ein sauberes Kameraobjektiv, einen intakten Tränenfilm und einen zentral durch die Pupille fallenden Lichtstrahl erreicht werden. Eine Untersuchung mit der OCT ist auch bei engen Pupillen möglich, wobei eine Mydriasis die Aufnahme erleichtern kann, aber auch Aberrationen verstärken kann, wenn das Licht nicht zentral durch die Pupille fällt.
Die erreichbare axiale Auflösung der OCT-B-Scans liegt bei den gängigen OCT-Geräten etwa zwischen 4 und 8 μm. Einige SD-OCT-Geräte weisen einen „sensitivity-roll-off“ auf, wodurch die Signale in tieferen Schichten der Aderhaut schwächer werden. Dies kann durch spezielle Softwarefunktionen wie „enhanced depth imaging“ (EDI) kompensiert werden. Alternativ kann das Objektiv näher an das Auge des Patienten bewegt werden, um die Aderhaut in den oberen Bereich des Fensters zu verschieben. SS-OCT-Geräte sowie neuere SD-OCT-Systeme weisen geringere Sensitivitätsverluste auf.
Eye-Tracking und Follow-up-Funktionen
Sowohl SD-OCT als auch SS-OCT ermöglichen eine deutlich höhere axiale Auflösung und Geschwindigkeit als ältere Time-Domain-OCT-Geräte. Durch Eye-Tracking können Augenbewegungen während der OCT-Aufnahme erkannt und die Position des OCT-Scans am Augenhintergrund angepasst werden. Dies reduziert Bildrauschen und verbessert die Bildqualität. Mit der „Follow-up-Funktion“ können OCT-Scans bei Verlaufskontrollen wiederholt an identischer Stelle aufgenommen werden, um Veränderungen präzise zu erfassen.
Darstellungsoptionen und quantitative Analyse
Bei der Betrachtung der OCT-Aufnahmen kann der Untersucher zwischen verschiedenen Darstellungsoptionen wählen, darunter Weiß-auf-Schwarz-Darstellung, Schwarz-auf-Weiß-Darstellung und Falschfarben-Darstellung. Die Weiß-auf-Schwarz-Darstellung ist oft am besten geeignet, um dezente Veränderungen zu erkennen. OCT-B-Scans können wahlweise realistisch (1:1 μm-Darstellung) oder in der axial gestreckten 1:1-Pixel-Darstellung abgebildet werden.
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Software-Algorithmen können aus hochaufgelösten, dichten OCT-Volumenscans transversale En-face-OCT-Schichtbilder erzeugen. Diese Darstellungsart ähnelt einer Fundusfotografie, wobei die einzelnen Pixel aus der Summe der Grauwerte der entsprechenden OCT-A-Scans berechnet werden. En-face-OCT-Schichtbilder können selektiv für bestimmte Schichten erzeugt werden, z. B. die Nervenfaserschicht, die neurosensorische Netzhaut oder den sub-RPE-Raum.
Die Betrachtungssoftware gängiger OCT-Hersteller ermöglicht eine (semi-)automatisierte quantitative Analyse von OCT-Volumenscans. Dabei wird der Abstand zwischen zwei Segmentierungsebenen gemessen, die mittlere Dicke und/oder das Volumen des erfassten Gewebes berechnet und in Form von Dickenkarten grafisch dargestellt. Automatisch auf diesen Dickenkarten positionierte Messgitter (meist ETDRS-Gitter) geben die mittlere Dicke oder das Volumen der durch die Segmentierungsebenen begrenzten Schicht an.
Bedeutung der Segmentierung und Messgitter
Um valide quantitative Messwerte zu erhalten, ist die Auswahl geeigneter Segmentierungslinien und die Überprüfung auf mögliche Segmentierungsfehler im gesamten Volumenscan wichtig. Die automatische Segmentierung kann im Bereich ausgeprägter subretinaler Pathologien fehleranfälliger sein. Bei Bedarf können die Segmentierungslinien manuell korrigiert werden. Auch die Position des Messgitters sollte geprüft und gegebenenfalls manuell verschoben werden, insbesondere wenn es nicht korrekt auf die Fovea zentriert ist.
Wenn Fehler ausgeschlossen oder korrigiert werden, ermöglichen Dickenkarten und quantitative Messungen einen objektiven und genauen Vergleich von OCT-Scans in der Verlaufskontrolle oder zwischen Gruppen in klinischen Studien. Bei schleichend progredienten Erkrankungen oder ausgeprägten Makulaödemen erleichtert die quantitative Analyse häufig das Erkennen kleiner Unterschiede in der Dicke und/oder Ausdehnung der betroffenen Areale zwischen zwei Zeitpunkten.
OCT-Angiographie (OCTA)
Die OCT-Angiographie (OCTA) ermöglicht die nicht-invasive Darstellung von perfundierten retinalen und choroidalen Gefäßen sowie von Neovaskularisationen. Im Gegensatz zur konventionellen Angiografie ist keine intravenöse Injektion von Farbstoffen notwendig. Die OCTA analysiert nicht nur die Intensität des reflektierten Lichts, sondern auch zeitliche Signalveränderungen. Hierzu werden mehrere OCT-Scans zeitlich versetzt an derselben Stelle aufgenommen und Pixel für Pixel miteinander verglichen.
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In den Bereichen des Scans, in denen sich durchblutete Gefäße befinden, ändert sich die Reflexion und Lichtstreuung von einem Zeitpunkt zum anderen. Software-Algorithmen detektieren diesen Blutfluss und bestimmen so die Position perfundierter Gefäße innerhalb eines OCTA-Volumenscans, sofern das Blut mit ausreichender Geschwindigkeit fließt. OCTA-Volumenscans können wahlweise in der OCTA-B-Scan-Ansicht (strukturelle OCT-Querschnittsbilder mit überlagerten Flusssignalen) oder als En-face-OCTA-Schichtbilder betrachtet werden.
Im Gegensatz zur konventionellen Fluoreszenzangiografie, die ein zweidimensionales En-face-Bild aller Gefäße liefert, ermöglicht die dreidimensionale OCTA auch die selektive Darstellung einzelner Schichten, z. B. des präretinalen Bereiches, des oberflächlichen und tiefen Kapillarplexus der Retina oder der Choriocapillaris.
Magnetresonanztomographie (MRT) in der Neurowissenschaft
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein weiteres wichtiges Instrument zur Untersuchung von Nervenfasern im Gehirn. Einem Team um Nikolaus Weiskopf vom Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig ist es gelungen, die kurzen neuronalen Fasern mit Hilfe der MRT im lebenden menschlichen Gehirn sichtbar zu machen.
Darstellung kurzer Nervenfasern
Das menschliche Gehirn ist ein immenses Netzwerk aus einer Vielzahl von Zellen, die durch Milliarden von Nervenfasern miteinander verbunden sind. Fast 90 Prozent der Verbindungen in unserem Gehirn sind kurz und übertragen Informationen zwischen niedrigeren und höheren Verarbeitungsebenen. Diese Verbindungen sind essenziell für die Funktion des Gehirns, da sie das Sehen, Hören, Denken und Handeln ermöglichen.
Die Wissenschaftler machen neuronale Fasern und Nervenverbindungen im Gehirn sichtbar, indem sie die eingeschränkte Beweglichkeit von Wasser in den dicht gepackten Nervenfaserbündeln ausnutzen. Daraus werden dann die Faserrichtungen und Verbindungsstärken abgeleitet. Die Kombination von Magnetresonanztomographie-Technik und zugeschnittenen Analysetechniken ermöglicht es, auch kurze Fasern zu erkennen, die sich häufig kreuzen und daher schwer darzustellen sind.
Bedeutung für das Verständnis der Hirnfunktion
Die Bereiche im visuellen Kortex unseres Gehirns, die für die Sehverarbeitung auf niedriger und höherer Ebene verantwortlich sind, sind nach einem bestimmten Prinzip durch kurze Fasern miteinander verdrahtet. Kortikale Regionen, die den gleichen Teil des Gesichtsfeldes verarbeiten, sind auch stärker miteinander verbunden. So wie Straßennetze den Verkehrsfluss und die Verkehrsrichtung bestimmen, können die Forscher nun besser verstehen, wie die Hirnstruktur die jeweilige Funktion bestimmt.
Die kurzen Faserbahnen verändern sich mit der normalen Hirnentwicklung und können auch von verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen betroffen sein, wie zum Beispiel Multipler Sklerose.
Weitere Verfahren zur Nervenfaseranalyse
Neben OCT und MRT gibt es weitere Verfahren zur Analyse von Nervenfasern, die in der Forschung eingesetzt werden.
3D-PLI und ComSLI
Um die Struktur und Funktionsweise des Gehirns zu verstehen, ist die Untersuchung der komplexen, dreidimensionalen Verläufe und Verbindungen der Nervenfasern notwendig. Besonders die Kreuzung von Nervenfasern stellt eine Herausforderung für die Bildgebung dar. Bisher kamen zwei Verfahren - 3D-PLI (3D polarisiertes Lichtmikroskopie) und ComSLI (Computational Scatterted Light Imaging) - getrennt zum Einsatz.
Jülicher Forschende entwickelten ein System, das beide Verfahren vorteilhaft vereinigt. Ihr Streu-Polarimeter („Scattering Polarimeter“) ermöglicht gleichzeitige 3D-PLI- und ComSLI-Messungen bei großflächigen Hirnscans.
Das Streu-Polarimeter
Das Streu-Polarimeter ist ein Mikroskop, das auf Basis des sogenannten Mueller Polarimeters entwickelt wurde. Es ermöglicht die gleichzeitige Messung von 3D-PLI- und ComSLI-Daten.
Die 3D-PLI-Methode misst die räumliche Orientierung von Nervenfasern, stößt jedoch an ihre Grenzen, wenn sich Nervenfasern kreuzen. ComSLI beleuchtet Hirnschnitte aus verschiedenen Winkeln und misst das durchgelassene (gestreute) Licht, wodurch die Kreuzung von Nervenfasern erkennbar wird.
Die Kombination beider Verfahren in einem einzigen Gerät bietet entscheidende Vorteile: schnellere Messungen, pixelweises Mapping und eine Kreuzvalidierung der Richtung des Faserverlaufs. Erste Untersuchungen von Hirnschnitten unterschiedlicher Spezies mit dem Streu-Polarimeter zeigten bereits Ergebnisse, die in der Qualität mit den einzelnen Messungen von 3D-PLI und ComSLI vergleichbar sind und für hochpräzise multimodale Karten von Nervenfaserbahnen genutzt werden können.
Die Wissenschaftler sehen jetzt gute Möglichkeiten zur Mikrometer-genauen Rekonstruktion von neuralen Netzen des menschlichen Gehirns. Dafür sollen auch die Kapazitäten des neuen Jülicher Exascale-Rechners JUPITER genutzt werden.
Nervenfaserklassen und Signaltransport
Eine Nervenfaser ist eine lange, schnurähnliche Bahn und Teil der Nervenzelle. Es gibt Unterschiede, wie schnell Signale in Nervenfasern weitergeleitet werden. Die Geschwindigkeit kann stark variieren, je nachdem, ob es sich um marklose oder markhaltige Nervenfasern handelt.
Marklose Nervenfasern
Marklose Nervenfasern besitzen keine Gliazellen auf dem Axon. Das Axon ist sozusagen nackt. Marklose Nervenfasern führen eine langsame Reizweiterleitung aus. Im Nervenzellkörper wird ein Reiz in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses führt zu einer Depolarisation der Zellmembran. Ab Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes wird am Axonhügel ein Aktionspotenzial ausgelöst.
Sobald ein Aktionspotenzial durch eine Stelle der Nervenzelle durchgelaufen ist, muss dort wieder das ursprüngliche Membranpotenzial hergestellt werden. Die Natrium-Kalium-Pumpen werden aktiviert und sorgen für den Ausgleich. Natrium wird aus dem Axon transportiert, Kalium fließt in das Axon. Für diesen Vorgang wird Energie in Form von ATP durch Spaltung verbraucht. Die Axonwand ist regelmäßig mit Natrium-Kalium-Pumpen durchbrochen.
Marklose Nervenfasern kommen vorwiegend in wirbellosen Tieren vor. Bei Menschen finden wir marklose Nervenfasern zum Beispiel in Magen und Darm.
Markhaltige Nervenfasern
Im Unterschied zu marklosen Nervenfasern sind bei markhaltigen in regelmäßigen Abständen Gliazellen um das Axon gewickelt. Diese bilden Myelinschichten als Isolationsschicht. Eine andere Bezeichnung für diese bestimmte Art der Gliazelle ist schwannsche Zelle. Zwischen benachbarten schwannschen Zellen befindet sich je ein ranvierscher Schnürring.
Da eine Änderung des Membranpotenzials nur an den ranvierschen Schnürringen stattfinden kann, erfolgt die Weiterleitung des Aktionspotenzials sprunghaft, auf saltatorische Weise. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu $\pu{120 m/s}$ wandert der Reiz recht schnell und die Nervenfasern arbeiten effizienter in der Informationsweitergabe als marklose.
Bei markhaltigen Nervenfasern besitzt das Axon nur an den ranvierschen Schnürringen die Natrium-Kalium-Ionenpumpen. Durch diese räumliche Begrenzung konzentriert sich die Anzahl auf $\pu{12000 pro µm2}$. So können hohe Konzentrationen an Ionen schneller transportiert werden, ohne jedoch alle Pumpen in Gebrauch zu nehmen.
Für Menschen sind markhaltige Nervenfasern für schnelle Reaktionen notwendig. Sie kommen überall im Körper vor und sind für schnelle Bewegungen sowie für die Achtsamkeit im Straßenverkehr und Reaktionen auf Gefahrensituationen unerlässlich.
Klassifikationssysteme von Nervenfasern
Im peripheren Nervensystem unterscheidet man verschiedene Faserklassen anhand des Durchmessers und der Leitungsgeschwindigkeit einer Nervenfaser. Es gilt: Je größer der Durchmesser, desto schneller die Leitungsgeschwindigkeit. Es gibt zwei Klassifikationssysteme für Nervenfasern im PNS:
- Nach Erlanger & Gasser: Hier werden afferente UND efferente Fasern berücksichtigt und in Typ A - C eingeteilt.
- Typ Aα
Anwendung der Nervenfaseranalyse in der Glaukomdiagnostik
Die Nervenfaseranalyse spielt eine entscheidende Rolle in der Glaukomdiagnostik. Mit der Verbesserung der OCT-Technologie ist auch die Auswahl an verfügbaren Analysen gestiegen. Seit einigen Jahren wird daher in die Glaukomdiagnostik auch die Analyse der Ganglienzellen herangezogen.
OCT-basierte Glaukomdiagnostik
Eine Diagnose im OCT basiert auf dem Volumen-Scan (3D-Scan), wobei der Sehnervenkopf im Fokus steht. Mit Hilfe der kreisförmigen Analysefläche um den Sehnervenkopf herum kann die Nervenfaserschichtdicke bestimmt werden. Zahlreiche mathematische Verfahren wurden entwickelt, um die Gegebenheiten von Cup und Disk zu dokumentieren. Die Disk beschreibt dabei die Größe der Öffnung in der Bruchschen Membran, wogegen die Cup die Größe der Exkavation des Sehnervenkopfes beschreibt.
Ergänzt werden diese Informationen durch die DDLS (Disk Damaged Likelihood Scale) Analyse. Diese spezielle Analyse basiert auf den Erfahrungen von zahlreichen Glaukomspezialisten. Über ein einfaches Graduierungssystem werden die Kunden in Risikogruppen einsortiert. Anhand der Sektor- und Tortendiagramme können Sie schnell und einfach die Abweichungen lokalisieren und für spätere Kontrollen dokumentieren.
Auch in der Glaukomdiagnostik setzt die Auswertung auf den Vergleich zur umfangreichen normativen Datenbank. Das Nervenfaserschichtdickendiagramm wird dabei wie eine Weltkarte aufgeklappt, was eine perfekte Übersicht entlang der kreisförmigen Analysefläche ermöglicht. Abgerundet wird die Analyse durch den Symmetrievergleich der Nervenfaserschichtdicken vom rechten und linken Auge. Besonders einseitige bzw. asymmetrische Befunde können so schnell erkannt werden.
Ganglienzell-Analyse
Damit die Ganglienzell-Analyse durchgeführt werden kann, braucht es lediglich einen 3D-Scan der Makula, welcher meist bereits für die Netzhautdiagnostik aufgenommen wurde. Bei einem gesunden Auge kommt hier der sogenannte Donut zum Vorschein. Bei einem glaukomatösen Augen zeigt dieser Ring aus Ganglienzellen bereits im Frühstadium deutliche Unregelmäßigkeiten in seiner Form bzw. Dicke.
Asymmetrie-Analyse
Mit Hilfe der Asymmetrie-Analyse kann bereits beim ersten Besuch des Kunden die Zuverlässigkeit der Diagnostik gesteigert werden. Dabei werden in der Hemisphären-Analyse Superiore vom Inferioren bzw. Temporale von Nasalen subtrahiert. Die Differenzen dieser Subtraktion werden in einer anschaulichen Karte mit den entsprechenden Netzhautarealen verknüpft. In Abhängigkeit von der Größe der Differenz wird eine farbliche Codierung eingeblendet.
Zusätzlich wird an dieser Stelle auch die Differenzen zwischen dem rechten und dem linken Auge ermittelt. Ein gesundes Augenpaar zeigt an dieser Stelle nur sehr geringe Abweichungen, was sich auf den systematischen und symmetrischen Aufbau des Auges bzw. der Netzhaut zurückführen lässt.
Verlaufskontrolle
Auch in der Glaukomdiagnostik kann die Zuverlässigkeit der Auswertungen mit der Anzahl der Untersuchungen gesteigert werden. In der Verlaufskontrolle können bis zu sechs Untersuchungen von unterschiedlichen Zeitpunkten verglichen werden. Dabei werden die unterschiedlichen Graphen der Nervenfaserschichtdicken überlagert, wodurch Abweichungen mit nur einem Blick erfasst werden können. Zusätzlich berechnet die Software eine Tendenzlinie, anhand welcher der voraussichtliche Verlauf der Veränderungen prognostiziert werden kann.
Der Sehnervenkopf kann in einer eindrucksvollen 3D Ansicht präsentiert werden. Mit Hilfe der Selektierung der Layer können die einzelnen Schichten sauber voneinander getrennt werden. Um eine bessere Übersicht zu bekommen, wie tief eine Veränderung reicht, können die einzelnen Schichten auseinandergezogen werden. Störende oder gesunde Schicht können mit nur einem Mausklick ausgeblendet werden.
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