Pictures of the Future       Herbst 2005

Das Hubble-Teleskop der Hirnforschung

Immer tiefer wollen Neurologen ins Gehirn hineinblicken. Dank neuer, extrem starker Magnetresonanz-Tomographen lassen sich einzelne lebende Zellen bei der Arbeit beobachten und der Weg biochemischer Moleküle durchs Gehirn verfolgen.

Auf dem Gelände der Uniklinik Magdeburg steht einer der leistungsfähigsten Magnetresonanz-Tomographen (MRT) der Welt. In seinem Inneren beträgt die magnetische Flussdichte 7 Tesla, das ist 140 000-mal so stark wie das Erd­magnetfeld. Der Koloss wiegt 32 t und besteht aus einem 400 km langen, zu einer Spule aufgewickelten, supraleitenden Niob-Titan-Draht, der auf ?269 °C gekühlt wird. Der 7-Tesla-MRT ist der erste seiner Art in Europa und einer von bislang sechs auf der Welt – drei davon hat Siemens gebaut. Im Februar 2005 übergab ihn Siemens Medical Solutions an das Leibniz-Institut für Neuro­biologie (IfN). "Die im Klinikalltag bewährte Technik war einer der Gründe, warum wir uns für Siemens entschieden", sagt Dr. André Brechmann, Leiter des Labors Nicht-Invasive Bildgebung am IfN. "Außerdem gab es am Massachusetts General Hospital in Boston ein funktionierendes Referenzgerät."

Die Hirnforscher in Boston sammeln seit drei Jahren Erfahrungen mit dem ersten von Siemens gelieferten 7-Tesla-MRT (siehe "Bilder vom Denken im Kopf" – im dortigen Kasten ist auch die Funktionsweise der MRT beschrieben). Dr. Lawrence Wald, einer der Spezialisten in Boston, ist begeistert von den neuen Möglichkeiten. "Der 7-Tesla-Scanner ist das Hubble-Teleskop der Hirnforschung", schwärmt er. Auch die Forscher des IfN knüpfen hohe Erwartungen an ihr neues Werkzeug. Neben der Grundlagenforschung soll der neue Ultrahochfeld-MRT dabei helfen, Krankheiten wie Alzheimer, Epilepsie, Schizophrenie oder Multiple Sklerose früher und sicherer zu diagnostizieren. Seine hohe räumliche Auflösung macht auch kleinste Gewebeveränderungen sichtbar.

"Auf den ersten mit dem Gerät aufgenommenen Bildern des Gehirns sind Details mit einer Größe unter einem Zehntel Millimeter zu erkennen", berichtet Brechmann. Auch wird es künftig möglich sein, den Ablauf geistiger Prozesse quasi in Echtzeit zu verfolgen – in Hirnarealen einer Größe unterhalb 1 mm³. "Damit sind wir erstmals in der Lage, auch verhältnismäßig kleine Funktionseinheiten der Großhirnrinde bei ihrer Arbeit zu beobachten", sagt Brechmann. So wollen er und seine Kollegen etwa herausfinden, wie das Gehirn akustische Signale verarbeitet, also welche Gehirnregion zum Beispiel die unterschwelligen emotionalen Botschaften von gesprochenen Sätzen verarbeitet. "Unser Ziel ist es, die Funktionen des menschlichen Gehirns umfassend zu kartographieren", so Brechmann.

Mit einer weiteren Methode, der Spektroskopie, können Forscher und Ärzte den Hirnstoffwechsel untersuchen und herausfinden, welche biochemischen Stoffe bei welcher Krankheit eine Rolle spielen – ob etwa der neuronale Botenstoff GABA (Gamma-Aminobuttersäure) an der Entstehung der Schizophrenie beteiligt ist, wie viele Neurologen vermuten. Mit der Spektroskopie lässt sich zudem erstmals direkt erkennen, wo Psychopharmaka oder Medikamente gegen neurologische Krankheiten im Gehirn wirksam werden. Je höher das Magnetfeld des MRT, desto besser lassen sich verschiedene Substanzen unterscheiden. Während mit einem 3-Tesla-Gerät zum Beispiel der Neurotransmitter GABA nur mit Spezialverfahren mühevoll nachweisbar ist, gelingt seine Quantifizierung mit einem 7-Tesla-Scanner bereits mit einer einfachen Standardmessung.

Um die diagnostischen Möglichkeiten weiter zu verbessern, arbeiten Herbert Thein, der Siemens-Projektleiter für die Entwicklung von 7-Tesla-MRT, und seine Kollegen in Erlangen daran, neue Gradienten- und Hochfrequenz-Spulen zu entwickeln, die speziell an die veränderte Physik bei 7 Tesla angepasst sind. So wird die nächste Generation der 7-Tesla-MRT 32 Empfangskanäle haben statt einem oder acht wie bisher. "Dann kann man genauer messen, von welcher Stelle im Schädel ein Signal stammt, was zu einer höheren Auflösung führt", berichtet Herbert Thein. Mit der Auftragslage ist der Ingenieur zufrieden: "Neun 7-Tesla-Scanner der nächsten Generation sind bereits geordert."

Derweil geht der Wettlauf um die höchste Feldstärke schon weiter: Die französische Atomenergiebehörde CEA hat das Projekt "Neurospin" ins Leben gerufen, um medizinische Bildgebung und die Entwicklung spezifischer Kontrastmittel für neurologische Erkrankungen parallel voranzutreiben. Molecular Imaging, also einzelne Zellen bei der Arbeit abzubilden, ist das Ziel. Kernstück des Projekts ist ein MRT mit 11,7 Tesla. "Technisch ist das inner­halb der nächsten fünf Jahre realisierbar", berichtet Dr. Robert Krieg, Leiter der Arbeitsgruppe Molekulare MR-Bildgebung bei Siemens, der mit seinem Team im Auftrag der CEA eine Machbarkeitsstudie durchgeführt hat. Krieg ist sich sicher, dass die zu erwartenden Fortschritte bei der Entwicklung des Super­magneten – zum Beispiel verbesserte Kühlung, neue Materialien oder einfachere Abschirmung – zudem die jetzigen Standard-MR-Tomographen mit niedrigerer Feldstärke verbessern werden. Dies gilt auch hinsichtlich der Interpretation der Bilder: "Man lernt unglaublich viel, wenn man an solch einer bahnbrechenden Herausforderung arbeitet."
                                                                                                                          Ute Kehse