SIEMENS

Man stelle sich ein Auto vor, das nicht durch Bedienelemente gesteuert wird, sondern mit einer obskuren Mischung biochemischer Substanzen und das trotzdem den Fahrer zuverlässig an sein Ziel bringt. Ungefähr so funktioniert unser Gehirn. In jedem Moment laufen in unseren Köpfen unzählige Prozesse ab, die unbewusst und nicht kontrollierbar sind und uns dennoch sicher steuern. Ein Eingreifen ist meist auch gar nicht notwendig. Doch wenn Probleme auftreten – schwere Depressionen, Ängste oder ein anderer der vielen möglichen lähmenden psychologischen Zustände – wird eine gezielte Behandlung schwierig. Mehr als Therapiesitzungen oder Psychopharmaka sind selten möglich – wobei die letzteren zudem eine lange Liste an Nebenwirkungen haben und man auch nicht sicher weiß, ob sie helfen.

Neue Ideen könnten hier weiterhelfen. Im Rahmen einer Kooperationspartnerschaft zwi- schen Siemens und dem Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) entwickeln Forscher des McGovern Instituts für Gehirnforschung in Boston Verfahren für eine gezielte Behandlung von psychischen Krankheiten – mit Hilfe bildgebender Systeme. Der Clou: Medikamente sollen größtenteils überflüssig werden. Stattdessen soll der Patient über eine willentliche Beeinflussung seiner Gehirnströme selbst Herr über seine Krankheit werden.

Etwa bei einer Depression. „Von depressiven Patienten, die auf eine Behandlung reagieren, wissen wir aus Untersuchungen, dass ihre Mandelkerne, die so genannten Amygdalae – das sind spezielle Gehirnregionen unterhalb der Schläfen – nur geringe Aktivitäten zeigen“, erklärt Dr. John Gabrieli, Professor für Gesundheits- und kognitive Neurowissenschaften am M.I.T. und Spezialist für Bildgebungsmethoden am Martinos-Zentrum des McGovern-Instituts. Um auf diesen Erkenntnissen weiter aufbauen zu können, entwickelt Gabrieli mit Kollegen sowie Experten von Siemens ein Verfahren, für das sie die Magnetresonanz-Tomographie (MRT) einsetzen.

Gehirnströme trainieren. Mit der funktionellen MRT (Pictures of the Future, Frühjahr 2007, Funktionelle MR Tomographie) sollen die Gehirnströme rund um die Mandelkerne gemessen und die gezielte Beeinflussung dieser Regionen durch den Patienten trainiert werden. Dies geschieht über ein Feedback in Form eines projizierten Thermometers – damit können die Patienten sofort sehen, ob sie gerade die Aktivitäten ihrer Amygdalae verändern. „Erste Testergebnisse haben gezeigt, dass Menschen tatsächlich in der Lage sind, ihre Gehirnströme bewusst zu steuern. Der Erfolg hängt jedoch stark von den technischen Möglichkeiten ab, wie der Geschwindigkeit der Rückmeldung des MRT-Signals. Denn um einen nachhaltigen Lernerfolg zu haben, muss der Patient möglichst in Echtzeit erkennen, wie sich seine Anstrengungen auf sein Gehirn auswirken“, erklärt Gabrieli.

Diese Echtzeitverarbeitung zu ermöglichen, ist die Aufgabe von Dr. Christina Triantafyllou, stellvertretende Direktorin und leitende MRT-Ärztin am Martinos-Zentrum. „Wir müssen die Daten vom Scanner so schnell wie möglich an einen externen Computer übertragen, dort verarbeiten und als visuelles Feedback – etwa auf einem Monitor – an den Patienten liefern“, erläutert sie. „Dafür haben wir eine Echtzeitdatenübertragung entwickelt, die den riesigen Datenstrom der 32 Kanäle der Kopfspule des MRT verarbeiten kann. Mit Algorithmen von Siemens, etwa zur Bewegungskorrektur, reduzieren wir den Nachbearbeitungsbedarf und verkürzen so immens die Feedback-Zeiten. Zwar bleibt noch immer eine Verzögerung von fünf Sekunden, doch das liegt an der verzögerten dynamischen Regulation des Blutflusses im Gehirn auf solche Stimuli.“

Die Ergebnisse machen die Forscher zuversichtlich: Mit Hilfe dieser Technik könnten Patienten nicht nur ihre Depression sondern auch Suchtkrankheiten lindern – etwa Rauchen oder Esssucht – sowie einige Schmerzarten besser kontrollieren. Was die zukünftigen Anwendungen auch sein mögen: Die Technik der funktionellen MRT in Echtzeit ist ein sehr viel versprechendes Werkzeug auf dem Entwicklungspfad von MRT-Systemen der nächsten Generation.

Pulsartig und parallel. In einem weiteren Forschungsprojekt arbeitet das M.I.T. derzeit mit Siemens an einer besonderen Anordnung von Radiowellensendern für MRT. Damit sollen bisherige Systeme in punkto Auflösung und Informationsgehalt bei weitem übertroffen werden. „Das Projekt hat enormes Potenzial“, sagt Michael Hamm, Leiter der Siemens-Forschungsgruppe in Boston. „Normalerweise werden bei MRT-Aufnahmen nur Radiowellen einer Frequenz in den Körper gesendet und dann ausgeschaltet. Dadurch ändert sich die Ausrichtung der Wasserstoffkerne, und aus den entstehenden Signalen errechnet man schließlich das Bild. Mit der neuen Entwicklung können wir mehrere Frequenzen plusartig parallel übertragen. Durch die Überlagerung der Pulse wird die Anregungszeit verkürzt. Das Resultat sind wesentlich detailliertere Bilder bei höheren Feldstärken, etwa bis 7 T.“

Der Trick: Die neue Technologie kann das Anregungsprofil von MR-Signalen je nach Bedarf maßschneidern und so Inhomogenitäten in den Bildern ausgleichen. „Das ist eines der Schlüsselelemente unserer Kooperation mit Siemens“, erläutert Dr. Elfar Adalsteinsson, Spezialist für Elektrotechnik und Informatik am M.I.T. „Der Einsatz dieser Technik bei bildgebenden Verfahren wird dank der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten bahnbrechend sein.“

Siebenmal schnellere Verarbeitung. Gleichzeitig arbeiten Siemens und das M.I.T. an einem MR-Projekt, das die Scan-Zeiten beschleunigen und ebenfalls höher aufgelöste Bilder generieren soll. Hier konzentrieren sich die Experten der beiden Kooperationspartner auf die Signale, die vom Körper zurückgesandt werden. Um beispielsweise das Gehirn abzubilden, werden bei der Untersuchung mehrere Antennenspulen um den Kopf des Patienten platziert. Sie empfangen die Signale aus den ihnen naheliegenden Kopfbereichen. Je mehr Antennen wir verwenden, desto schneller und detailreicher ist die Verarbeitung der Signale“, sagt Hamm. „Wenn man also oberflächennahe Bereiche abbildet, kann ein System mit 128 Elementen im Vergleich zum heute üblichen System mit 24 Spulen die Signalverarbeitung um den Faktor 7 steigern.“

Eine höhere Auflösung bietet den Ärzten immense Vorteile. So müssen Chirurgen beispielsweise vor einer Gehirn-OP wissen, wo sich die Sehrinde des Patienten befindet, um Schäden zu vermeiden – ein zeitintensiver MR-Scan ist hier die Folge. „Doch bei solchen Operationen zählt oft jede Minute, deshalb haben wir eine Multi-Element-Spule entwickelt, die statt mit 12 mit 32 Signal-Kanälen arbeitet“, erläutert Triantafyllou. „Die Vorteile liegen klar auf der Hand: Um die funktionellen Grenzen der Sehrinde zu bestimmen, brauchen wir mit 12 Kanälen fünf Scans, mit 32 aber nur einen. Das Ergebnis ist beeindruckend: Statt wie bisher 24, benötigen wir für die gleiche Untersuchung nur noch vier Minuten.“ (Mehr über die Multikanal-Systeme in Pictures of the Future, Herbst 2005, Forschungskooperation)

Die immer leistungsstärkeren MR-Scanner sowie künftig auch die kürzeren Scan-Zeiten durch Multikanal-Technologie und die höher aufgelösten Bilder erlauben es Forschern mehr und mehr, die detaillierten Aufnahmen des Gehirns dazu zu nutzen, um die „Signaturen“ von Gehirnaktivitäten und verschiedene psychische Krankheitsmuster zu erkennen. So hat Christina Triantafyllou die neue Spule mit ihren 32 Kanälen bereits eingesetzt, um Kinder mit Dyslexie (Lese-Rechtschreibschwäche), Autismus und Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom (ADHS) zu untersuchen. „Wir wollen mit Hilfe der informationsreichen MR-Aufnahmen dokumentieren, wie sich diese Störungen mit der Zeit entwickeln, um präzisere Diagnosen stellen zu können“, erklärt sie.