Entschlüsselung der funktionellen Phänotypen im transgenen Parkinson Mausmodell unter Verwendung von fMRI und MRS mit simultanen Messungen der Calcium- und Dopamin-Signal-Dynamiken

• Antragsteller: Professor Klaus Scheffler, Ph.D., seit 1/2021
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Biomedizinische Systemtechnik ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391998472

Wir möchten ein Carbonfaser-Elektroden (CFE)-basiertes System für die Dopaminmessungen des Gehirns mit gleichzeitiger optogenetischer und funktioneller MR-Bildgebung (fMRI) und MR-Spektroskopie (MRS) mit mikroskopischen MR-Spulen entwickeln. Carbonfaser-Verbundstoffe stellen ein vielversprechendes biomedizinisches Material für MRI-kontrollierte Eingriffe dar, da sie eine geringe Dichte, hohe Festigkeit, ähnliche magnetische Suszeptibilität wie Wasser und folglich eine geringere elektrische Leitfähigkeit als Metall aufweisen. Dennoch bleibt es aufgrund der Wirbelströme die in den Carbonfasern durch die fluktuierenden magnetischen Gradienten hervorgerufen werden eine Herausforderung, das Dopaminsignal mittels CFE in Kombination mit fMRI zu messen. Die Wirbelströme können sowohl beim fMRI als auch bei der Aufnahme der biochemischen Signale zu Artefakten führen. Wir werden eine verschachtelte MR Sequenz entwickeln, um das BOLD und MRS Signal während optogenetisch-getriggerter Dopaminfreisetzung zu messen und um potentielle Artefakte in den MRI und CFE Aufnahmen zu vermeiden. Das Ziel dieses Projekts ist es multi-modale fMRI und neue MRS Methoden mit CFE-basierten Dopaminmessungen zu verbinden, um die Dopamin-vermittelte neuronale-Kreislauf-spezifische Gehirnaktivität auf systemischer Ebene zu untersuchen. Wir werden zuerst den MRI-kontrollierten Roboterarm implementieren, um die Nuclei, die die Dopaminfreisetzung vermitteln, wie die Substantia nigra (SN) oder das ventrale tegmentale Areal (VTA), präzise ansteuern zu können. Diese technische Entwicklung ermöglicht es uns den Verlauf der optischen Fasern im Gehirn beim Einbringen in Echtzeit zu verfolgen, sodass die optogenetische Tiefe-Hirn-Stimulation (ODBS) mit hoher regionaler Spezifität im Nagergehirn durchgeführt werden kann. Zweitens können die simultanen fMRI und Faseroptik-Calciummessungen genutzt werden, um spezifische funktionelle Muster neuronaler Kreisläufe direkt zu charakterisieren, sowohl auf der Ebene des gesamten Gehirns, als auch in Striatum- und präfrontalen Regionen, zu denen VTA und SN projizieren. Drittens erlaubt uns die nadelähnliche mikro-RF-Sonde die Metaboliten-Konzentration direkt zu messen, was gleichzeitig mit den faseroptischen Calciummessungen und CFE Messungen des Dopaminfreisetzungssignals in den gewählten Regionen durchgeführt werden kann. Diese methodische Entwicklung ermöglicht es uns Gehirnfunktionen auf multi-dimensionaler Ebene zu studieren und spezifische Neurotransmitter (oder verschiedene metabolische Komponenten) in Verbindung zu setzen mit Modulationen der Gehirnfunktionen auf systemischer Ebene, die für diese neuronalen Netzwerke spezifisch sind. Diese innovative Kombination mehrerer Techniken bringt entscheidende Vorteile für ein besseres Verständnis der funktionell-krankhaften Phänotypen des Gehirns des Morbus Parkinson (MP) Mausmodells mit DJ-1 Knockout. Die DJ-1 Mutation ist eine der häufigsten autosomal rezessiven Ursachen in MP-Patienten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Zhuan Zhou
• Ehemaliger Antragsteller: Privatdozent Xin Yu, Ph.D., bis 1/2021