The visualization of the human brain post mortem

Minimally invasive deep brain neurosurgical interventions require a profound knowledge of the human brain morphology on the micrometer level. Generic brain atlases are based on histology including multiple preparation steps like sectioning and staining. Before the histological analysis of the human brain post mortem, the first preparation step is the extraction of it from the cranium. After that, formalin fixation of the brain is often performed. As the brain consists of inhomogeneous tissues, these steps lead to a three-dimensional strain field within the brain.
For the correction of these deformations three-dimensional magnetic resonance imaging has been used. In a single investigation, the brain was first examined post mortem within the cranium. After extraction, 13 magnetic resonance data sets were acquired over a fixation period of 70 days and compared to the initial data set. Using an affine registration of the data sets, the global volume shrinkage was found to be 8.1%. The local volume strains could be determined by means of a non-rigid registration. The study revealed maximal local volume strains of 32%.
In order to correct the distortions induced within the anisotropic, inhomogeneous soft matter by sectioning and staining and therefore to improve the accuracy of brain atlases, a non-destructive three-dimensional imaging technique with the required spatial resolution and contrast is of great significance. Micro-computed tomography provides true micrometer resolution. The application to post mortem human brain, however, is questionable because the differences of the components concerning X-ray absorption are weak. Therefore, magnetic resonance imaging has become the method of choice for three-dimensional imaging of human brain. Because of the limited spatial resolution of this method, an alternative has to be found for the three-dimensional imaging of microstructures within the brain. Therefore, synchrotron radiation-based microtomography in the recently developed grating-based X-ray phase contrast mode was used for the visualization of the brain tissue. Using data acquired at the beamline ID 19 (ESRF, Grenoble, France) it was demonstrated that grating-based microtomography yields premium images of human thalamus. This data can be used for the correction of histological distortions using three-dimensional non-rigid registration.
Grating-based phase contrast tomography can also be applied on the human cerebellum, another very important part of the human brain. Simultaneously, this technique gives access to absorption contrast tomography. These two data sets are quantitatively compared with synchrotron radiation-based microtomography in optimized absorption contrast mode. It was demonstrated that, in addition to the blood vessels, grating interferometry identifies the stratum moleculare, the stratum granulosum and the white matter. Along the periphery of the stratum granulosum, microstructures of about 40 μm in diameter were detected, which were associated with the Purkinje cells because of their location, size, shape and density. The detection of individual Purkinje cells without the application of any stain or contrast agent is unique in the field of computed tomography and sets new standards in non-destructive three-dimensional imaging.
Another well established imaging technique for the visualization of the human brain is magnetic resonance imaging which is known for its high contrast between white and gray matter. Unfortunately, the spatial resolution of the conventional medical magnetic resonance scanners is not sufficient enough to investigate the microanatomy of the brain. The required spatial resolution can be achieved by magnetic resonance microscopy using a small animal magnetic resonance scanner which takes advantage of a magnetic field of 9.4 T. These results were compared with grating-based phase contrast data sets. It was demonstrated that grating-based phase tomography using hard X-rays yields for human cerebellum comparable contrast values to magnetic resonance microscopy whereas the quality factors based on contrast and spatial resolution, for phase tomography, are obviously higher. The combination of the three complementary imaging techniques, namely phase contrast tomography, magnetic resonance microscopy and histology, permits the distinct segmentation of four tissues within the human cerebellum.
----------Zusammenfassung: Minimal-invasive neurochirurgische Eingriffe erfordern ein fundiertes Wissen über die Morphologie des menschlichen Gehirns auf der Mikrometer-Skala. Generische Gehirnatlanten, die dazu verwendet werden und auf histologischen Schnitten basieren,
erfordern mehrere Präparationsschritte, wie z.B. das Schneiden in dünne Schnitte, sowie das Färben dieser histologischer Schnitte. Bevor histologische Untersuchungen
am menschlichen Gehirn nach Eintritt des Todes stattfinden können, erfolgt die Entnahme, sowie meistens die Formalinfixierung, um der einsetzenden Verwesung vorzubeugen. Da das Gehirn aus inhomogenem Gewebe besteht, führen diese ersten Schritte zu lokalen Verzerrungen, die einem dreidimensionalen Spannungsfeld gleichen.
Zur Korrektur dieser Deformationen eignet sich insbesondere die Kernspintomo-graphie. Während der vorliegenden Studie wurde das Gehirn zunächst innerhalb des Schädels, jedoch nach Eintreten des Todes, untersucht. Danach wurden 13 Datensätze über den gesamten Fixierungszeitraum von 70 Tagen mit Hilfe eines medizinischen Kernspintomographen erzeugt. Diese Datensätze wurden dann mit dem Anfangs-datensatz verglichen. Die globale Volumenabnahme von 8.1% konnte mit Hilfe einer affinen Registrierung berechnet werden. Mit nichtrigiden Registrierungen wurden zusätzlich dazu maximale lokale Volumenänderungen von bis zu 32% bestimmt.
Die darauf folgenden Präparationsschritte, insbesondere das Schneiden und das Färben der Schnitte, verursachen ebenfalls Verzerrungen des anisotropen und inhomogenen Gehirngewebes und führen so zu Ungenauigkeiten der Gehirnatlanten. Für eine Korrektur der Deformationen benötigt man ein zerstörungsfreies, dreidimensionales Bildgebungsverfahren, welches die benötigte räumliche Auflösung aufweisen kann. Mikro-Computertomographie bietet eine räumliche Auflösung von wenigen Mikrometern, kann jedoch die Anforderungen an den Kontrast nicht erfüllen, da die Unterschiede der Strukturen im Gehirn in Bezug auf Absorption der Röntgenstrahlen zu gering sind. Daher gilt bisher die Kernspintomographie als beste Methode, um dreidimensionale Visualisierungen vom Gehirn zu erzeugen. Jedoch genügt die räumliche Auflösung dieser Methode nicht den Anforderungen, die für die Korrektur der histologischen Schnitte benötigt wird. Die jüngst entwickelte gitterbasierte Phasenkontrast Mikro-Computertomographie an Synchrotronstrahlungs-quellen bietet eine Alternative, um zelluläre Strukturen im Gehirn zu visualisieren. Mit den Daten, die an der Beamline ID 19 (ESRF, Grenoble, Frankreich) generiert wurden, konnte gezeigt werden, dass sich gitterbasierte Tomographie hervorragend zum Erzeugen hochqualitativer Bilder des menschlichen Thalamus eignet. Die Datensätze konnten schliesslich mit Hilfe der nichtrigiden Registrierung für die Korrektur der histologischen Schnitte verwendet werden, um die Genauigkeit eines Gehirnatlases zu erhöhen.
Die Anwendung der gitterbasierten Phasenkontrasttomographie kann auch auf das menschliche Kleinhirn, welches ein sehr wichtiger Teil des menschlichen Gehirns ist, ausgeweitet werden. Neben den Phasenkontrastdaten liefert diese Technik simultan auch Absorptionskontrastdaten, die jedoch nicht unter Absorptionskontrast- Bedingungen erzeugt werden können. Diese beiden Datensätze wurden quantitativ mit Ergebnissen, die mit optimierten Absorptionskontrast-Bedingungen aufgenom-men wurden, verglichen. Es wurde gezeigt, dass sich die Phasenkontrasttomographie hervorragend dafür eignet, neben Blutgefässen auch die Molekularschicht, die Körnerschicht sowie die weisse Substanz zu identifizieren. Entlang der Peripherie der Körnerschicht konnten Strukturen mit etwa 40 μm Durchmesser nachgewiesen werden, die aufgrund ihrer Lage, Grösse, Form und Dichte als Purkinje-Zellen identifiziert wurden. Dieser Nachweis von einzelnen Purkinje-Zellen ohne den Einsatz von Kontrastmitteln ist einzigartig auf dem Gebiet der Computertomographie und setzt neue Maßstäbe in der zerstörungsfreien dreidimensionalen Bildgebung.
Ein weiteres gut etabliertes Bildgebungsverfahren zur Visualisierung des menschlichen Gehirns ist die Kernspintomographie, die für einen hohen Kontrast zwischen weisser und grauen Substanz bekannt ist. Leider ist die räumliche Auflösung der konventionellen medizinischen Kernspin-Scanner nicht ausreichend genug, um Mikrostrukturen des Gehirns zu erforschen. Die erforderliche räumliche Auflösung kann durch Kernspin-Mikroskopie, unter Verwendung eines Kernspintomographen für Kleintiere mit einer Magnetfeldstärke von 9.4 T, erreicht werden. Die Resultate der Kernspin-Mikroskopie wurden mit den Datensätzen der gitterbasierten Phasenkontrast-Tomographie verglichen, mit dem Ergebniss, dass gitterbasierte Phasenkontrast-Tomographie mit harter Röntgenstrahlung bei der Visualisierung des menschlichen Kleinhirns vergleichbare Kontrastwerte zu der Kernspin-Mikroskopie hat, während die Qualität-Faktoren, die auf Kontrast und räumlicher Auflösung basieren, beim Phasenkontrast deutlich höher sind. Eine Kombination der drei sich ergänzenden Bildgebungsverfahren, nämlich der Phasenkontrast-Tomographie, Kernspin-Mikroskopie und Histologie, ermöglicht eine eindeutige Segmentierung von vier verschiedenen Gewebearten innerhalb des menschlichen Kleinhirns.