Pictures of the Future      Herbst 2005

Bilder vom Denken im Kopf

Die Magnetresonanz-Tomographie ist eine unverzichtbare Methode in der Hirnforschung. Gemeinsam entwickeln Siemens und das Massachusetts General Hospital in Boston immer bessere Technologien mit dem Ziel, etwa die Entstehung psychischer Erkrankungen besser zu verstehen und zu behandeln.

Die Aufnahme mutet wie ein abstraktes Kunstwerk an. Vermutlich zeigt sie den Verlauf von Nervenbahnen im Gehirn, doch Details weiß noch niemand. Das Bild wurde mit einem 3-Tesla-Magnetresonanz-Tomographen und einem speziellen Verfahren aufgenommen. "Dabei wird die Diffusion der Wasser­moleküle gemessen. Da sie sich entlang der Nervenfasern besser bewegen können als quer dazu, nehmen wir an, dass sich so die Struktur der Nerven­bahnen im Gehirn ermitteln lässt", erläutert Dr. Bruce R. Rosen. Er ist Direktor des Martinos Center for Biomedical Imaging, einer Gemeinschaftseinrichtung der Abteilung für Health Sciences & Technology von Harvard und dem M.I.T. sowie der Radiologieabteilung des Massachusetts General Hospital (MGH) in Boston.

Obwohl selbst führende Neurologen wie Rosen noch nicht genau wissen, welche Rückschlüsse sich aus solchen Bildern auf mentale Prozesse ziehen lassen, betonen sie, dass diese Aufnahmen Hinweise liefern könnten, wie und wo Medikamente die körperliche und geistige Aktivität eines Menschen beein­flussen. Mit Siemens als Kooperationspartner untersuchen die Wissen­schaftler, wie sich mit Hilfe bildgebender Verfahren die Entwicklung und Zulassung von neuen Medikamenten optimieren lassen. Diese Kooperation, die mittlerweile seit fünf Jahren besteht, hat bereits viele wertvolle Ergebnisse geliefert: Sie reichen von neuen Einblicken in die physikalischen Grundlagen der Magnetresonanz bis zu einer ganzen Reihe neuer Lösungen für MR-Geräte.

Ein Atlas des Gehirns. Ein Highlight der Partnerschaft zwischen dem MGH und Siemens ist die Entwicklung von "AutoAlign". Mit diesem System, das Siemens Mitte 2004 als Upgrade für MR-Tomographen auf den Markt brachte, lässt sich mit Sub-Millimeter-Genauigkeit der Herkunftsort eines MR-Schnittbilds im Vergleich zum Scan eines typischen Gehirns festlegen – und zwar durch automatische Identifizierung bestimmter Charakteristika. Damit kann AutoAlign Bildebenen automatisch exakt ausrichten, wofür bislang Spezialisten eine Menge Zeit benötigten. Letztlich lassen sich so Patientendurchsatz und -komfort deutlich erhöhen, weil die Untersuchungszeit verkürzt wird. "Wenn ein Patient nach zwei Monaten zur Nachsorgeuntersuchung kommt, sind die Bildebenen, die der MR-Tomograph aufnimmt, exakt so orientiert wie bei der früheren Untersuchung. Dadurch können wir besser beurteilen, was sich im Gewebe wie verändert hat", sagt Rosen. "AutoAlign hat aber nicht nur Vorzüge für den einzelnen Patienten", fügt er hinzu. "Das System erlaubt uns, aus den Daten verschiedener Gehirne eine Art Gehirnatlas zu erstellen – also gemein­same Merkmale aller Gehirne." Je mehr die Datenbank wächst, desto besser, denn so erhalten die Wissenschaftler ein Abbild des typischen Gehirns. Wenn sie dann dieses Referenzgehirn mit demjenigen eines Patienten im gleichen Alter vergleichen, haben sie es leichter, morphologische Abweichungen zu erkennen – etwa ein Tumor-Frühstadium oder funktionelle Veränderungen, z.B. als Antwort auf ein Medikament gegen Schizophrenie. Heute lässt sich dank der hohen Präzision von AutoAlign bereits feststellen, ob ein Tumor auf eine Therapie anspricht. Künftig, sagt Rosen, werden Ärzte auch Veränderungen im Blutfluss, in der Stoffwechselaktivität oder in der Wachstumsrate eines Tumors früher erkennen können als heute – alles wichtige Parameter für die Bewertung der Wirksamkeit einer Tumortherapie.

"AutoAlign ist ein hervorragendes Beispiel für gute Zusammenarbeit", sagt Franz Hebrank, der auf Seiten von Siemens das MR-Programm mit MGH koordiniert. "Wir haben am MGH gemeinsam mit Siemens einen ent­sprechenden Prototypen entwickelt und diesen dann im klinischen Umfeld getestet", ergänzt Dr. Lawrence L. Wald, Direktor am Martinos Center und Assistant Professor für Radiologie an der Harvard Medical School. "Das Ganze dauerte nicht länger als ein Jahr. Zu verdanken war dies vor allem der sehr engen Kooperation mit den Siemens-Ingenieuren, denn ihr Detailwissen über AutoAlign und den MR-Tomographen machte die Entwicklung deutlich schneller, als wenn wir alles in einem reinen Forschungsumfeld voran­getrieben hätten."

AutoAlign ist nur ein Beispiel für zahlreiche Projekte, bei denen Siemens und das MGH zusammengearbeitet haben. Im MR-Zentrum, das mit modernster Siemens-Technik ausgestattet ist, forschen mehr als 200 Spezialisten auf Gebieten wie der Verarbeitung visueller Informationen oder dem Einfluss der Schizophrenie auf das Gedächtnis oder von Depressionen auf das Belohnungs­zentrum im Gehirn. MR-Aufnahmen, die Funktionen ebenso wie anatomische Strukturen abbilden, liefern Einblicke in bisher unzugängliche Prozesse. "Für Gehirnforscher heißt das: Wir haben die Chance, detaillierte physiologische und neurologische Einblicke in Krankheiten zu gewinnen, über deren funktionelle Grundlagen wir bisher kaum etwas wussten. Dadurch wird sich unser Verständnis von psychischen Erkrankungen wie Schizophrenie und Depressionen grundlegend ändern", sagt Rosen.

Noch detailreichere Bilder sind Ziel mehrerer Forschungsansätze von Siemens und dem MGH. Um die Auflösung zu verbessern, sind 7-Tesla-Magneten derzeit das Maß aller Dinge (siehe  7-Tesla-MRT). Ihr Magnetfeld ist 140 000-mal stärker als das der Erde. "Damit können wir die Aktivität bestimmter Hirnareale auf molekularer Ebene betrachten", sagt Wald. Die Bilder richtig zu interpretieren ist jedoch gar nicht so leicht. Mit seiner Ziel­setzung, aus solchen Bildern klinisch verwertbare Informationen zu gewinnen, wurde das MR-Zentrum zu einem der führenden Forschungszentren im Biomedical Informatics Research Network (BIRN) der US-Gesundheits­behörde. Gemeinsam mit Ingenieuren von Siemens entwickeln die MGH-Spezialisten intelligente Werkzeuge zu diesem Zweck: Bilddaten mit klinischen Daten zu verknüpfen, um die Behandlung psychischer Erkrankungen zu verbessern.

96 Mess-Kanäle. Eine weitere Möglichkeit, die Auflösung zu verbessern, ist eine größere Zahl an Empfangskanälen und Detektoren, die rund um den Kopf platziert werden. "Jeder dieser Kanäle erstellt ein separates Bild des Gehirns, wobei die Areale, die dem Detektor am nächsten liegen, die größte Auflösung haben", erläutert Wald. Zusammen mit Siemens-Ingenieuren sucht er nach Möglichkeiten, die von Siemens entwickelte Total imaging matrix-Technologie (Tim) weiterzuentwickeln. So haben sie die üblichen 32 Kanäle von Tim erweitert, indem sie drei Gruppen von je 32 Kanälen zu einem extrem leistungsstarken System von 96 Kanälen zusammengeführt haben. Kombiniert mit einem 7-Tesla-Magneten kann das Gerät Bilder mit einer Auflösung von 100 µm produzieren – genug, so Rosen, um Veränderungen auch in sehr kleinen Zellclustern erkennen zu können. "Diese Forschungsarbeit", sagt er, "ist die Gelegenheit, grundsätzliche Fragen zu klären und Theorie und Praxis in einem bisher unbekannten Maß miteinander zu verbinden. Und sie ist ein Beispiel für eine Art Kooperation von Wirtschaft und Wissenschaft, die man sehr selten trifft. Wir können uns keinen besseren Partner als Siemens vorstellen."
                                                                                                               Arthur F. Pease