Translational Neuroimaging Group

Klinik und Poliklinik für Epileptologie,
Medizinische Fakultät, Universität Bonn
Leitung: Theodor Rüber

Wir sind eine Gruppe junger Wissenschaftler*innen an der Klinik und Poliklinik für Epileptologie des Universitätsklinikums Bonn. Die Gruppe wird geleitet von Theodor Rüber, ihre Mitglieder sind junge, interdisziplinäre Forscher*innen mit Qualifikationen in der Medizin, den Neurowissenschaften, Informatik, Physik, Mathematik und Philosophie. Innerhalb eines Netzwerks etablierter Wissenschaftler*innen entwickelt und verwendet die Translational Neuroimaging Group hochmoderne Neurobildgebungsmethoden, um das Verständnis und die Diagnostik neurologischer Erkrankungen voranzubringen. Hierbei liegt der Fokus auf der Epilepsie.

Die Translational Neuroimaging Group sieht sich als Brücke zwischen klinischer Epileptologie und fortgeschrittener medizinischer Bildanalyse. So stehen wir in enger Zusammenarbeit mit der Klinik und Poliklinik für Epileptologie des Universitätsklinikums Bonn und führt strukturelle und funktionelle Bildgebung mittels eines 3T-MRT zur wissenschaftlichen Untersuchung von Epilepsiepatient*innen durch. Neben der Kooperation mit der Klinik und Poliklinik für Epileptologie, prozessieren wir außerdem Aufnahmen aus der Nuklearmedizin (z.B SPECT, Single-Photon Emission CT).

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Forschung & Methoden


Automatisierte Detektion Fokaler Kortikaler Dysplasien

Projektleiter Bastian David

Fokale Kortikale Dysplasien (FCDs) sind angeborene Störungen neuronaler Migration und stellen eine Hauptursache therapieresistenter fokaler Epilepsien dar. Falls Epilepsiechirurgie möglich ist, erlangen mehr als 80% der Patient*innen Anfallsfreiheit nach einer Totalresektion der Läsion. In konventioneller visueller Beurteilung von MR-Bildern können FCDs allerdings sehr leicht übersehen werden. Automatisierte Ansätze zur FCD-Detektion haben sich als sehr nützlich erwiesen und ihre großflächigere Anwendung könnte den postoperativen Erfolg noch steigern. Die meisten etablierten Ansätze erreichen jedoch nicht die gewünschte Sensitivität, weshalb aus klinischer Sicht die Entwicklung neuer, präziser Methoden von großem Interesse ist.

Unser Ziel ist es, Algorithmen zur automatisierten Detektion von FCDs zu entwickeln, welche in der klinischen Routine Anwendung finden können. Für die zuverlässige Läsionsdetektion von MR-negativen FCD-Fällen nutzen wir modernste Ansätze aus dem Bereich des Deep Learnings, mit besonderem Fokus auf generative adversarial networks und convolutional neural networks. In ersten Pilotstudien erreichten unsere aktuellen Anwendungen eine Detektionssensititvität von über 90% mit einer nahezu perfekten Spezifität von ~96%. Besonders maßgeblich ist, dass unsere Ergebnisse unabhängig von Scanner-Hersteller, MR-Sequenzparameter und Datenqualität sind.


Ergänzung der Epilepsie-Bildgebung durch Anfalls-Bildgebung

ΔT1 zeigt eine postiktale Verstärkung des Gadolinium-haltigen Kontrastmittels bei drei Patient*innen.
ΔT1 wird durch Subtraktion der postiktalen qT1 von der interiktalen qT1 berechnet.
Höhere Werte von ΔT1 spiegeln somit eine größere postiktale Anreicherung des Kontrastmittels wieder.

P 1: MRT: Hippocampus-Sklerose, Beginn des iktalen EEG: links temporal, vermuteter Anfallsbereich: links mesio-temporal, Patient*in hatte einen fokalen Anfall

P 2: MRT: reseziertes Kavernom im linken Temporallappen, Beginn des iktalen EEG: links temporal, vermuteter Anfallsbereich: links temporal, Patient*in hatte einen fokalen Anfall

P 3: MRT: negativ, Beginn des iktalen EEG: rechts frontal, vermutete Anfallszone: rechts frontal, Patient*in zeigte generalisierten Anfall

Projektleitung: Martin Schidlowski, Bastian David

Bis zum heutigen Tag lag der Fokus der MR-Bildgebung bei Epilepsie auf neurostrukturellen Pathologien, welche epileptische Anfälle verursachen können. Den epileptischen Anfällen selbst, obgleich pathognomisches Symptom einer Epilepsie, wurde allerdings wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Ziel dieses Projekts ist es, funktionelle Bildgebung für epileptische Anfälle zu entwickeln, indem wir unser MR-Signal und die Datennachbearbeitung auf sogenannte transiente peri-iktale MR Veränderungen sensibilisieren („iktal“ bedeutet „während eines epileptischen Anfalls“): Da epileptische Anfälle im Scanner aus pragmatischen Gründen nicht direkt erfasst werden können, führen wir unsere Messungen sofort nach einem Anfall durch und visualisieren post-hoc mikrostrukturelle Folgeprozesse eines epileptischen Anfalls wie peri-iktale Bluthirnschranken-Störungen oder post-iktale Hypoperfusion. Erste Studien unserer Gruppe haben ergeben, dass die peri-iktale Bluthirnschranken-Störung durch quantitative MR-Bildgebung nach iktaler Verabreichung von Gadolinium gemessen und peri-fokal auf individueller Ebene durch sorgfältige Nachprozessierung visualisiert werden kann.
Die iktale Verabreichung von Gadolinium ist allerdings zeitaufwändig und die Harmlosigkeit von Gadolinium selbst ist momentan Gegenstand kontroverser wissenschaftlicher Debatten.

Zurzeit wird zusammen mit Professor Tony Stöcker vom DZNE eine ‚Arterial Spin Labeling‘ Sequenz entwickelt, welche sowohl Bluthirnschranken Parmeabilität und Perfusion durch endogene Tracer erfassen soll und somit ohne Einsatz von exogener Kontrastmittelapplikation auskommt.


Compensatory mechanisms in Rasmussen’s Encephalitis

Voxel-basierte Morphometrie (VBM) zeigt größeres kortikales Volumen auf der „unbetroffenen“ Hemisphäre bei Rasmussen Enzephalitis.

Projektleitung: Johannes Reiter, Bastian David

Rasmussen Enzephalitis (RE) ist eine chronische immunvermittelte Erkrankung des Gehirns und zeichnet sich aus durch therapierefraktäre epileptische Anfälle, progrediente neurologische Defizite und – am auffälligsten – progressive unihemisphärischer Atrophie aus. Obwohl die Pathologie als streng einseitig angesehen wird, konnte volumetrische MR-Bildgebung Atrophie der sogenannten „unbetroffenen“ Hemisphäre aufzeigen.

Im Gegensatz zu bestehenden Studien vermuten wir, dass die kontraläsionelle Hemisphäre Hinweise auf eine Kompensation der ipsiläsionellen Atrophie zeigt, wodurch wir die gängige Annahme einer „unbetroffenen“ Hemisphäre bei RE infrage stellen. Unser Ziel ist es, weitere kortikale und subkortikale Veränderungen bei RE durch volumetrische und oberflächenbasierte Analysen zu beschreiben, um unsere bisherigen Ergebnisse an einem großen Datensatz und in detaillierten, longitudinalen Modellen zu validieren. Wir entwickeln umfassende, computergestützte Modelle um die komplexen Atrophiemuster und Kompensationsmechanismen bei RE zu entschlüsseln, da ein tiefergehendes Verständnis der Erkrankung von hoher klinischer Relevanz ist.


Imaging Biomarkers in Autoimmune Encephalitis

Oberflächenbasierte Analyse „BrainPrint” erfasst signifikante Unterschiede zwischen Patientinnen und gesunden Kontrollen in der Form-Asymmetrie der Amygdala, im Thalamus, der weißen Substanz und der weißen Substanz des Cerebellums. Rot: Mittlere Patienteninnen-Asymmetrie übersteigt die der gesunden Kontrollen
Blau: Mittlere Asymmetrie der gesunden Kontrollen übersteigt die der Patient*innen

Projektleitung: Antonia Harms, Tobias Bauer

Limbische Enzephailitis (LE) ist ein autoimmunes Syndrom, welche sich durch subakuten Kurzzeitgedächtnisverlust und psychiatrische Auffälligkeiten auszeichnet. Häufig geht die Erkrankung mit Temporallappenepilepsie einher. Es konnten bereits einige Antikörper identifiziert werden, die mit Subtypen der LE in Verbindung stehen. Wir vermuten bildgebungstechnische Korrelate bei LE Patient*innen zu finden, welche Aufschluss über das Krankheitsstadium, die Lateralisierung und Serogruppen-Zugehörigkeit liefern.

Wir verwenden eine Auswahl von multimodalen Bildgebungstechniken wie Volumetrie, oberflächenbasierte Analysen und Netzwerkmodelle, um diese Korrelate zu identifizieren, damit sie in prädiktiven Analysen durch modernste Machine-Learning-Ansätze Anwendung finden.
Wir erhoffen uns nicht nur einer Beschreibung der unterschiedlichen Subformen des Syndroms, welche unter den weit gefassten Begriff „Limbische Enzephalitis“ fallen, sondern wollen außerdem zum tieferen Verständnis der zugrundeliegenden Pathologie beitragen.


Temporallappenepilepsie: Eine morphometrische Analsyse des Hippocampus

Methodische Darstellung.1: FreeSurfer Subfeldsegmentierung. 2: 3D-Modell des Hippocampus mit Kartierung der Subfelder. 3: 3D-Modell des Hippocampus. 4: Lösung der Poisson-Funktion in anterior-posteriore Richtung. 5: Mediale Oberfläche mit inneren/äußeren Stromlinien, die aus einem 3D-Gitter extrahiert wurden. 6: Schätzungen der Dicke des Hippocampus, liegen medialer Oberfläche an. (Diers et al. OHBM, 2019).

Projektleitung: Laura Fischbach, Tobias Bauer, AG Reuter

Die Temporallappenepilepsie (TLE) macht bei Erwachsenen den größten Anteil von Epilepsieerkrankungen aus. Die Hippocampussklerose (HS) ist mit einem Anteil von zwei Dritteln aller Patientinnen die häufigste Ätiologie, während bis zu einem Drittel der Patientinnen mit TLE in der konventionellen neuroradiologischen MR-Diagnostik ohne strukturelle Auffälligkeiten bleibt. Die neurochirurgische Resektion des betroffenen Hippocampus spielt in der Behandlung von Patientinnen mit Temporallappenepilepsie eine große Rolle, da bis zu einem Drittel der TLE-Patientinnen an einer pharmakoresistenten Form leiden. Die International League against Epilepsy (ILAE) hat eine semiquantitative Auswertung zur histologischen Klassifikation der HS entwickelt, die bei verschiedenen Subtypen unterschiedliche Prognosen für die postoperative Anfallskontrolle und die Gedächtnisleistung zeigt. Die Klassifikation wäre für die präoperative Diagnostik von großem Nutzen.

Mit Hilfe einer differenzialgeometrischen Analysemethode, die eine strukturelle Analyse mesiotemporaler Strukturen erlaubt, soll zum einen eine präoperative in-vivo-Klassifikation der verschiedenen HS-Subtypen nach ILAE versucht werden, zum anderen soll die diagnostische Qualität einer präoperativen radiologischen Untersuchung erhöht und damit die Gruppe der TLE-Patientinnen ohne MRT-Anomalien (MR-negative TLE-Patientinnen) reduziert werden.


Publikationen

Schidlowski M, Boland M, Stoecker T, Rüber T. Reliability of Quantitative Transverse Relaxation Time Mapping with T2-Prepared Whole Brain pCASL. Sci Rep. [in press] 

Bauer T,  David B, Ernst L, Becker AJ, Witt J-A, Helmstaedter C, Wagner J, Weber B, Elger CE,  Surges R, Rüber T (2020).  Structural network topology in limbic encephalitis is associated with amygdala enlargement, memory performance and serostatus. Epilepsia. [in press] doi: 10.1111/epi.16691.

​Cox R, Rüber T, Staresina BP, Fell J (2020). Sharp wave-ripples in human amygdala and their coordination with hippocampus during NREM sleep. Cerebral Cortex Communications. [in press]

Schidlowski M, Boland M, Rüber T*, Stöcker T* (2020). Blood-brain barrier permeability measurement by biexponentially modeling whole-brain arterial spin labeling data with multiple T2-weightings. NMR Biomed 33:e4374 doi: 10.1002/nbm.4374.

Gaubatz J*, Prillwitz CC*, Ernst L, David B, Hoppe C, Hattingen E, Weber B, Vatter H, Surges R, Elger CE, Rüber T (2020). Contralesional White Matter Alterations in Patients After Hemispherotomy. Front Hum Neurosci 14:262. doi: 10.3389/fnhum.2020.00262.

​Bauer T*,  Ernst L*, David B, Becker AJ, Wagner J, Witt J-A, Helmstaedter C, Weber B, Hattingen E, Elger CE,  Surges R, Rüber T (2020).  Fixel-based analysis links white matter characteristics, serostatus and clinical features in limbic encephalitis. Neuroimage Clin. 27:e102289. doi: 10.1016/j.nicl.2020.102289.

​Pitsch J, Kamalizade D, Braun A, Kuehn JC,  Gulakova PE, Rüber T, Lubec G, Dietrich D, von Wrede R, Helmstaedter C, Surges R,  Elger CE, Hattingen E, Vatter H, Schoch S, Becker AJ (2020). Drebrin autoantibodies in patients with seizures and suspected encephalitis. Ann Neurol(6):869-884. doi: 10.1002/ana.25720.

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Reschke CR, Silva LFA, Vangoor VR, Rosso M, David B, Cavanagh BL, Connolly NMC,  Brennan GP, Sanz-Rodriguez A, Mooney C, Batool A,  Greene C, Brennan M, Conroy RM, Rüber T, Prehn JHM, Campbell M, Pasterkamp MJ, Henshall DC (2019). Potent and lasting seizure suppression by systemic delivery of antagomirs targeting miR-134 timed with blood-brain barrier disruption. doi: 10.1101/797621  [preprint]

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David B, Prillwitz CC, Hoppe C, Sassen R, Hörsch S, Weber B, Hattingen E, Elger CE, Rüber T. (2019) Morphometric MRI findings challenge the concept of the „unaffected“ hemisphere in Rasmussen encephalitis. Epilepsia. 60(5):e40-e46. doi: 10.1111/epi.14702.

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Name der Forschungsgruppe

Translational Neuroimaging Group
AnsprechpartnerTheodor Rüber
theodor.rueber@ukbonn.de
Telefon 0228 287-84283

AdresseTranslational Neuroimaging Group
Klinik und Poliklinik für Epileptologie, Medizinische Fakultät, Universität Bonn

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