So scharf wie nie!

15.05.2018 -  

Das menschliche Gehirn ist eines der komplexesten Organe. Es ohne operative Eingriffe zu studieren, ist eine Herausforderung, der sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Disziplinen an der Magdeburger Universität in Kooperation mit Kollegen aus anderen regionalen und internationalen Forschungseinrichtungen stellen. Dabei ist die hochauflösende Bildgebung mittels Magnetresonanztomographie ein Schwerpunkt der Abteilung Biomedizinische Magnetresonanz, die von Prof. Dr. Oliver Speck von der Fakultät für Naturwissenschaften geleitet wird. Durch Anwendung neuer Technologien gelang dem Team ein Weltrekord – die bislang genaueste dreidimensionale Darstellung des Gehirns eines lebenden Menschen.

Messgerät viermal so schwer wie ein Elefant

Der Magnetresonanztomograph (MRT), mit dem Neurowissenschaftler um Professor Oliver Speck von der Magdeburger Universität das menschliche Gehirn seit über einem Jahrzehnt studieren, zählt bis heute zu den weltweit besten seiner Art. Mit einer Länge von 3,6 Metern und einer Masse von 32 Tonnen hat er etwa die Größe eines erwachsenen afrikanischen Elefanten und mehr als dessen vierfache Masse. Der mit flüssigem Helium auf etwa vier Kelvin gekühlte Elektromagnet erzeugt ein künstliches Magnetfeld mit einer Feldstärke von 7 Tesla, was etwa der 140.000-fachen Stärke des natürlichen Magnetfeldes an der Erdoberfläche entspricht. Elektrisch und magnetisch abgeschirmt von der Außenwelt, befindet er sich in einem separaten Gebäude auf dem Campus der Medizinischen Fakultät. Im Jahr 2005 war es das erste Hightech-Gerät seiner Art in Europa und das zweite weltweit, das in Kooperation zwischen dem deutschen Industrieunternehmen Siemens Healthcare, dem Magdeburger Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN) und der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entstand. Seither wurde die Technologie zur Darstellung präziser Einblicke in die Funktionen des lebenden Gehirns ständig verbessert. Jüngster Höhepunkt ist die aktuell bestaufgelöste Darstellung des Gehirns eines lebenden Menschen. Zur Entstehung haben Professor Speck, Leiter der Abteilung Biomedizinische Magnetresonanz, und Falk Lüsebrink, Doktorand in seiner Abteilung und ehemaliger Masterstudent der Medizintechnik an der Uni Magdeburg, wesentlich beigetragen.

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Der 32 Tonnen schwere 7-Tesla Ultrahochfeld-Kernspintomograph wurde in einem eigenen Gebäude auf dem Medizin-Campus installiert. (Foto: Harald Krieg)

Längere Messzeit ermöglicht präzisere Bilder

Ähnlich wie Astronomen mehr Sterne bei Verlängerung der Belichtungszeit aufnehmen können, ist es prinzipiell auch durch Verlängerung der Messzeiten im MRT möglich, die bereits hervorragende Auflösung des 7-Tesla-MRT weiter zu verbessern und noch kleinere Details als Sandkorngröße darzustellen. Ein grundsätzliches Problem dabei ist allerdings, dass kein Proband stundenlang bewegungslos im MRT liegen kann. „Selbst kleinste Bewegungen von weniger als einem Millimeter können den Erfolg einer solchen Messung verhindern“, so Oliver Speck. Die Forscher mussten also eine Technik entwickeln, die lange Messungen von über einer Stunde ohne störende Effekte durch Bewegungen am Menschen ermöglicht. Erschwerend kam hinzu, dass in der engen „Röhre“ des Magnetresonanztomographen nur sehr wenig Platz für die Installation zusätzlicher Technologie vorhanden ist und diese mit dem starken Magnetfeld und der Messung verträglich sein muss.

Neue Zusatztechnik in Kooperation entwickelt

Zuerst musste eine Lösung gefunden werden, um während der Datenaufnahme die gemessenen Bewegungen des Probanden auszugleichen. „Anfangs hielten einige Experten das für unmöglich, denn das MRT war dafür nicht konzipiert worden“, erinnert sich Oliver Speck. Doch es gelang in Kooperation mit den Universitäten Freiburg und Hawaii die Software so anzupassen, dass das Messvolumen, das sogenannte Field of View, kontinuierlich entsprechend der Kopfbewegungen nachgeführt und somit trotzdem eine scharfe Aufnahme erzeugt werden kann. Um die Bewegungen von Probanden aufzunehmen, wurden eine MRT-kompatible Kamera und ein nur fingernagelgroßer Marker verwendet. Die Forscher nutzen dabei das an der Universität Milwaukee entwickelte Moiré Phase Tracking: Der speziell gerasterte Marker wird von einer einzelnen Kamera beobachtet und erlaubt die Messung von dreidimensionalen Bewegungen.
Das allein reichte jedoch noch nicht aus. Eine weitere Herausforderung bestand darin, den Marker fest mit dem Schädel und somit dem Gehirn zu verbinden, weil selbst Bewegungen der Hautoberfläche falsche Informationen liefern würden.
Ermöglicht wurde dies letztlich durch eine Art Zahnspange, die gemeinsam mit den Zahntechnikern des Universitätsklinikums entwickelt und individuell für Probanden angefertigt wurde. Da die Schneidezähne fest im Schädel verankert sind, hatte man eine praktikable Technik gefunden, um selbst kleinste Bewegungen des Kopfes von bis zu zehn Mikrometern zu messen.

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Dreidimensionale Darstellung einer Hirnhälfte eingeteilt in unterschiedliche Areale basierend auf seiner Oberflächenstruktur. (Bild: Falk Lüsebrink)

Ein "Testpilot" aus Magdeburg wollte es wissen

Im Rahmen seiner Doktorarbeit wollte der Medizintechniker Falk Lüsebrink nun austesten, wo die Grenzen des 7-Tesla-MRTs und des Kamerasystems liegen. Dafür stellte er sich selbst als Versuchsperson zur Verfügung und ließ Bilder seines Gehirns in einer Messzeit von knapp acht Stunden, aufgeteilt auf mehrere Sitzungen, erstellen. Zur Kombination der Daten aus den einzelnen Messungen entwickelte er eigens eine neue Methode. „Das Ergebnis war noch besser, als wir es uns erhofft hatten“, so Projektleiter Speck: „Unsere Darstellung des Gehirns ist die derzeit detailreichste, die mit einem MRT von einem lebenden Menschen gewonnen wurde.“ Das gesamte Datenvolumen beträgt etwa 1,2 Terabyte.

Magdeburger Datensatz reist um die Welt

Der Bilddatensatz zeigt Details, wie sie bislang nur bei der invasiven Untersuchung von Körperspendern zu sehen waren. Die Forschergruppe hat sich daher entschlossen, die Daten weltweit anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern für weitere Forschungs- zwecke ohne jegliche Einschränkungen frei zugänglich zu machen. Die Umsetzung dieser Idee gestaltete sich jedoch nicht so einfach wie gedacht. „Bislang gab es keine Möglichkeit an der Universität Magdeburg, elektronische Datensätze in Publikationen über eine DOI-Nummer zugänglich zu machen“, so der Medizintechniker Lüsebrink. Das gelang erst mit der Unterstützung der Universitätsbibliothek, welche in kürzester Zeit dafür ein Verfahren etablierte. Der Aufwand scheint sich allerdings gelohnt zu haben. Bereits kurz nach ihrer Veröffentlichung stießen die Daten auf großes Interesse. Innerhalb der ersten vier Monate wurde der Datensatz über mehr als 17.500 Mal heruntergeladen. Zudem wurde die Publikation in über 130 Tweets mit knapp 125.000 Followern geteilt.

Den Wissenschaftlern ging es nicht darum, einen Weltrekord aufzustellen, um in das Guinness-Buch oder in die Tagesmedien zu kommen. Ziel ihrer Forschungen ist es, noch präzisere Bilddaten aus dem lebenden Gehirn zu erhalten und künftig noch zuverlässiger deuten zu können, um nach Hinweisen zur Entstehung und zum Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen wie Morbus Alzheimer sowie psychiatrischer Störungen zu suchen. Auf dieser Grundlage wurden bereits neue Forschungsprojekte u. a. mit dem Forscherteam um Prof. Dr. med. Emrah Düzel vom Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) in Magdeburg gestartet.

Übrigens...

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Foto: Yakobchuk Viacheslav - shutterstock.com

Nichtinvasive Blicke in das Gehirn
Die drei wichtigsten nichtinvasiven Verfahren zur Messung von Hirnfunktion sind die Elektroenzephalographie (EEG), die Magnetenzephalographie (MEG) und die Magnetresonanztomographie (MRT). Mit ihnen werden erst seit wenigen Jahrzehnten Einblicke in das Gehirn eines lebenden Menschen ermöglicht. EEG und MEG messen die elektromagnetische Aktivität von Nervenzellverbänden mit hoher zeitlicher Auflösung (im Bereich von Millisekunden). In räumlicher Hinsicht sind sie jedoch vergleichsweise ungenau. Im Gegensatz dazu erlaubt die MRT eine hohe räumliche Auflösung (im Millimeter- bzw. Submillimeterbereich) und so eine exakte anatomische Darstellung des Gehirns.

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Foto: s4svisuals - shutterstock.com

MRT am menschlichen Gehirn
Das durchschnittliche Hirnvolumen eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 1.500 Kubikzentimeter, was etwas mehr als der Größe eines halben Handballs entspricht. In der gefalteten äußeren Schicht des Gehirns, dem Kortex, arbeiten ungefähr 16 Milliarden Nervenzellen, die untereinander über die weiße Substanz vernetzt sind. Mit modernen, im klinischen Alltag eingesetzten 3-Tesla-MRTs lässt sich ohne Zusatztechniken eine Darstellung des menschlichen Gehirns mit einer räumlichen Auflösung von einem Kubikmillimeter innerhalb weniger Minuten erreichen. In diesem kleinen Volumen können mehr als 30.000 Nervenzellen vorhanden sein. Um ein 64-Mal kleineres Volumen mit einer Kantenlänge von gerade mal 250 Mikrometern am lebenden menschlichen Gehirn sichtbar zu machen, benutzten die Forscher der Uni Magdeburg das 7-Tesla-MRT und verlängerten das „Beobachtungsfenster“ auf etwa acht Stunden.

 

Uwe Seidenfaden