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Monster-Scanner in Aktion


Gehirn & Geist Dossier - epaper ⋅ Ausgabe 4/2019 vom 29.11.2019

HIRNSCANS Neue Magnetresonanztomografen setzen technische Maßstäbe in der Bildgebung und erlauben detaillierte Einblicke in den menschlichen Körper – auch ins Gehirn.


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Bildquelle: Gehirn & Geist Dossier, Ausgabe 4/2019

Anna Nowogrodzki ist Journalistin in Boston, Massachusetts.

Im Dezember 2017 wagt ein Freiwilliger sich dorthin, wo noch nie zuvor ein Mensch gewesen ist: in das Innere des stärksten jemals zur Untersuchung von Menschen gebauten Magnetresonanztomografen (MRT). Das Gerät steht im Center for Magnetic Resonance Research der University of Minnesota und besteht aus einer vier Meter langen Röhre, um die sich ein 110 Tonnen schwerer ...

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... Elektromagnet windet. Der Scanner wiegt ungefähr dreimal so viel wie eine Boeing 737. Im Inneren werden gleich 10,5 Tesla auf den Probanden einwirken – ein etwa 200 000-mal stärkeres Magnetfeld als das der Erde, das mit 600 Tonnen Eisen nach außen abgeschirmt wird. Eine Stunde lang muss er regungslos im Tomografen verharren, während dieser zu Testzwecken sein Becken durchleuchtet. Die Aufnahme, die dabei entsteht, bildet sein hauchdünnes Knorpelgewebe in bis dahin unerreichter Schärfe ab.

Bereits einige Tage zuvor hatten Ärzte den Gleichgewichtssinn des Freiwilligen untersucht. Der Scan könnte nämlich Schwindel auslösen, und das Forschungsteam muss diese Nebenwirkung exakt erfassen und sofort einordnen können. Am Testtag achten die anwesenden Wissenschaftler zudem penibel darauf, dass sich kein Metall am oder im Körper des Mannes befindet. Objekte wie Piercings, Ringe, Metallimplantate oder Herzschrittmacher könnte der extrem starke Magnet aus seinem Körper reißen.

Kamil Ugurbil, der Direktor des Zentrums, hat jahrelang auf diesen Tag gewartet. Die Fertigstellung des Geräts hatte sich verzögert, weil flüssiges Helium, das den Elektromagneten kühlt, zwischenzeitlich knapp geworden war. 2013 wurde die Maschine endlich geliefert, und es folgten vier Jahre, in denen die Wissenschaftler sie mit zunehmender Magnetfeldstärke an Tieren testeten. Im August 2017 erhielt Ugurbil die Genehmigung der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde FDA, 20 Menschen im 10,5-Tesla-Magnetfeld zu untersuchen. Der Mann, der im Dezember 2017 ins Innere der Röhre glitt, war der erste. Aufnahmen bei dieser Feldstärke zielen noch nicht darauf ab, biomedizinische Fragen zu klären. Denn zuerst müssen die Forscher feststellen, ob das Verfahren sicher ist und bei den Probanden keine schweren Nebenwirkungen auslöst.

Die Blutgefäße im Gehirn eines menschlichen Probanden wurden mit einem sieben Tesla starken Tomografen an der University of Queensland aufgenommen.


MIT FRDL. GEN. VON MARKUS BARTH, CENTRE FOR ADVANCED IMAGING, THE UNIVERSITY OF QUEENSLAND

Kliniken arbeiten bisher vor allem mit Geräten, die Magnetfeldstärken von eineinhalb oder drei Tesla nutzen. In einigen Labors kommen jedoch bereits Sieben-Tesla-Scanner zum Einsatz, und seit 2017 ist der erste Tomograf dieser Stärke auch für den klinischen Betrieb in Europa und den USA zugelassen. Weltweit gibt es derzeit drei Scanner, in denen Menschen mit mehr als zehn Tesla untersucht werden können. Das 10,5-Tesla-Gerät in Minnesota ist einer davon. Die anderen – ein gigantischer Ganzkörperscanner am NeuroSpin Centre CEA Saclay nahe Paris sowie ein kleinerer Kopfscanner am National Institute of Health (NIH) in Bethesda, Maryland – sollen sogar noch stärkere Magnetfelder von 11,7 Tesla erzeugen. Mit diesen Maschinen wollen Forscher nun neue Maßstäbe bei der Magnetresonanztomografie setzen.

Der Vorteil solcher Ultrahochfeld-Tomografen liegt auf der Hand: je stärker das Magnetfeld, desto besser das Signal-Rausch-Verhältnis der Aufnahme. Gewebe kann somit schneller visualisiert werden, ohne dass die Auflösung darunter leidet. Alternativ lässt sich in der gleichen Zeit, die ein Standardgerät braucht, ein detaillierterer Scan anfertigen. Ein Drei-Tesla-Tomograf bildet Gewebe mit bis zu einem Millimeter Auflösung ab, ein Sieben-Tesla-Gerät schon mit bis zu 0,5 Millimeter. MRTs mit stärkeren Magneten kommen vermutlich nochmals auf ein wesentlich höheres Auflösungsvermögen.

Ultrahochfeld-Scanner sind größer, teurer und technisch anspruchsvoller als gebräuchliche Modelle. Um mit ihnen zu arbeiten, braucht es auch strenge Sicherheitsvorkehrungen. Dafür bieten sie Einblicke ins Gehirn, die zuvor nur Hirngewebsschnitte Verstorbener erlaubten. »Es ist wie ein Fenster zu einem intakten menschlichen Hirn«, schwärmt Ravi Menon, Neurowissenschaftler am Robarts Research Institute der Western University in London, Kanada.

Gleicher Bau, mehr Power

Die ersten Magnetresonanztomografen, die für den Einsatz an Menschen bestimmt waren, entstanden in den 1970er Jahren. Am grundsätzlichen Bau der Geräte hat sich seither nicht viel geändert. Das Herz des Scanners bildet immer noch eine röhrenförmige, supraleitende Spule. Fließt Strom durch sie, erzeugt sie ein elektromagnetisches Feld. Dieses wirkt auf Wasserstoffatomkerne, die im Körper der im Scanner liegenden Person chemisch gebunden vorliegen. Diese Protonen drehen sich um ihre eigene Achse. Mit ihrem so genannten Kernspin erzeugen sie ein schwaches Magnetfeld. Im statischen Feld des MRT richtet ein Teil von ihnen die Kernspins nun gleichförmig aus. Daraufhin sendet eine Radiowellenantenne im Inneren des Scanners einen kurzen Impuls aus. Dieser Impuls hat die gleiche Frequenz wie die Spins und wirft die synchronisierten Wasserstoffatome für kurze Zeit aus der Bahn. Während die Protonen in ihren Spinrhythmus zurückkehren, setzen sie Energie frei, die das Gerät erfasst. Wie lange dieser Prozess dauert, hängt vom Gewebetyp ab. Zusammen mit der Information darüber, wo das Proton sich befindet, berechnet das Gerät ein anatomisches Bild.

Je stärker das Magnetfeld, desto mehr Protonenspins zeigen in die gleiche Richtung. Das von ihnen ausgehende Signal hebt sich deshalb besser vom Hintergrundrauschen ab. Zeitgleich steigt aber auch das Risiko für unerwünschte Nebenwirkungen. Bereits bei sieben Tesla sind Schwindelgefühle beim Hinein- und Herausfahren aus der Magnetröhre ausgeprägter als bei drei Tesla. Manche Menschen berichten zudem von metallischem Geschmack im Mund, unkontrollierbaren Augenbewegungen oder scheinbaren Lichtblitzen. Gescanntes Gewebe überhitzt leichter, denn mit steigender Magnetstärke erhöht sich die Frequenz der Protonenspins – und um die Protonen zum Schlingern zu bringen, braucht es energiereichere Radiowellenimpulse.

Auf einen Blick: Magnetisch durchleuchtet

1 Die Magnetresonanztomografie erlaubt Einblicke in das Innere des menschlichen Körpers. Intensivere Magnetfelder machen schärfere und schnellere Aufnahmen möglich.

2 Die Forschung mit Sieben-Tesla-Scannern hat bereits neue Erkenntnisse über die Hirnaktivität gebracht. In der Klinik erleichtern die Geräte zudem Diagnostik und Behandlungen.

3 Die derzeit stärksten Tomografen arbeiten mit mehr als zehn Tesla. Sie erzeugen detaillierte Bilder. Ihr Einsatz ist aber technisch aufwändig, und mögliche unerwünschte Wirkungen sind noch schwer abschätzbar.

Empfindliche Giganten

Die hohen Auflösungen, die Ultrahochfeld-Tomografen erzielen, machen Scans empfindlicher gegenüber kleinsten Bewegungen. Solche, die regelmäßig auftreten, können Forscher statistisch erfassen und aus den Aufnahmen herausrechnen. Dazu zählen der Herzschlag oder die Atmung. Schwieriger wird es bei winzigen, unvorhersehbaren Bewegungen des Gehirns innerhalb des Schädels, die ab sieben Tesla deutlich stören. »Wenn ich meine Zehen im Scanner ausstrecke, bewegt sich das Hirn mit, da es über das Rückenmark mit den Gliedmaßen verbunden ist«, erklärt Menon. Zudem pulsiert das Gehirn auch im Takt mit dem Herzschlag, während das Blut durch das Organ pumpt. Diese Art von Störsignalen zu bereinigen, ist Gegenstand laufender Forschung.

Trotz solcher Schwierigkeiten hat die Sieben-Tesla-Tomografie bereits einzigartige Einblicke in das lebende Gehirn ermöglicht. Mit ihr ist es beispielsweise gelungen, die sechs Nervenzellschichten der Großhirnrinde voneinander abzugrenzen. Diese drei Millimeter dicke Region an der Hirnoberfläche bildet die »graue Substanz «, die Menschen ihre erstaunlichen kognitiven Fähigkeiten verleiht. Jede Schicht hat sich auf eine Aufgabe spezialisiert: Eine empfängt Signale, eine andere verarbeitet sie, und eine dritte leitet diese Information weiter.

Mit starken Magnetfeldern können Wissenschaftler in die einzelnen Schichten hineinzoomen und deren Aktivität relativ zu denen der anderen Schichten messen. So lässt sich abbilden, wie sich Informationen im betrachteten Areal ausbreiten. Einige haben das genutzt, um die Hirnaktivität während Verhaltens- oder Sprachtests genauer zu untersuchen. Ihre Resultate verdeutlichen, dass die unterschiedlichen Ebenen mitbestimmen, wie Kortexareale Erlebtes verarbeiten. »Ein Areal reagiert zum Beispiel nicht nur auf visuelle Stimuli – es wird auch durch Aufmerksamkeit, Stimmung und Erinnerungen beeinflusst«, erläutert Menon.

2013 kam dieser mehr als 110 Tonnen schwere 10,5-Tesla-Magnet an der University of Minnesota an.


MIT FRDL. GEN. DES CENTER FOR MAGNETIC RESONANCE RESEARCH, UNIVERSITY OF MINNESOTA

Einige Wissenschaftler wollen mit Hilfe der Hochfeldmagnete mehr über den säulenartigen Aufbau des Gehirns erfahren. Abgesehen von ihrer horizontalen Schichtung ist die Hirnrinde nämlich vielerorts in vertikalen Säulen organisiert. Nervenzellen innerhalb der zirka 0,5 Millimeter breiten Strukturen reagieren vermutlich alle auf bestimmte Reizmerkmale, etwa die Orientierung eines Objekts, und kommunizieren über Verbindungen in einer der mittleren Schichten miteinander. Könnten Forscher mit MRT-Aufnahmen die elektrische Aktivität auf Säulenebene messen, wären sie daher womöglich im Stande, Rückschlüsse auf die Arbeitsweise einzelner Neurone in den Strukturen zu ziehen. Bislang war dies mit Gehirnscans unmöglich gewesen.

Mit den Sieben-Tesla-Geräten lassen sich auch neuronale Vernetzungen besser visualisieren als zuvor. Kamil Ugurbil arbeitet beim Human Connectome Project daran, die Gesamtheit der neuronalen Verbindungen im menschlichen Gehirn aufzuschlüsseln. An 184 Personen hat sein Team sowohl mit Drei-Tesla-Scannern als auch mit einem Sieben-Tesla-Scanner Hirnbilder angefertigt. Dabei bildeten die stärkeren Magnetfelder neuronale Netze der Probanden viel detaillierter ab, als es die Standardgeräte vermochten.

Zudem können stärkere Scanner medizinische Diagnosen oder Therapien erleichtern. Manche Parkinsonpatienten unterziehen sich zur Behandlung ihrer Symptome einem operativen Eingriff, der so genannten tiefen Hirnstimulation (siehe »Unter Strom«, Gehirn&Geist 1/2019, S. 58). Dafür schieben Neurochirurgen Elektroden tief ins Gehirn, meist in die subthalamischen Kerne, und stimulieren diese anschließend elektrisch. Um die Elektroden zum richtigen Ort zu bringen, planen die Ärzte die OP vorab anhand von MRT-Aufnahmen. Mit eineinhalb oder drei Tesla fische man hier aber ein wenig im Trüben, erklärt Ugurbil. Das ist nicht ungefährlich, denn »wird die Elektrode falsch platziert, muss sie wieder herausgezogen und in etwas anderem Winkel neu eingeführt werden«. Dies berge jedes Mal aufs Neue die Gefahr, Gefäße zu verletzen und so Hirnblutungen herbeizuführen. Aufnahmen mit einem Sieben-Tesla-Gerät würden dieses Risiko minimieren. »Man sieht das Ziel genau, führt die Elektrode ein und bekommt das Ergebnis«, so Ugurbil.

Mit den starken Scannern nahmen Ärzte auch ein bisher wenig beachtetes Symptom der multiplen Sklerose (MS) genauer unter die Lupe. Da neue Medikamente die bei MS oft auftretenden motorischen Probleme abmildern, ermöglicht das Betroffenen ein längeres und besseres Leben mit der Krankheit. Dadurch fielen Medizinern erstmals kognitive Defizite auf, die mit der Krankheit einhergehen können. »Viele der Patienten berichten von Symptomen, die denen der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung ähneln«, erzählt Me-non und fügt hinzu: »Wie sie entstehen, wussten wir bis vor Kurzem nicht.« Mit Hilfe des Sieben-Tesla-Scanners wiesen die Forscher bei Betroffenen kleine Gewebeschäden nach. Diese traten unter anderem im dorsolateralen Präfrontalkortex auf, einem Areal im Stirnlappen, das etwa auf Höhe des Haaransatzes unter dem Schädelknochen liegt. Die Region ist vor allem für Aufmerksamkeit und Handlungsplanung zuständig. Womöglich bedingen die Läsionen hier die Beschwerden. Menon erforscht gerade, wie Schädigungen in verschiedenen Hirnarealen sich bei den Patienten auswirken.

Selbst wenn eine Untersuchung keinen hochauflösenden Scan erfordert, kann sich der Einsatz der Ultrahochfeld-Geräte lohnen. Das hohe Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht nämlich viel schnellere Scans als zuvor. Ärzte erhalten qualitativ hochwertige Bilder in Sekunden statt in Minuten oder in Minuten statt in Stunden. Sie können also mehr Patienten scannen, und diese müssen nicht so lange regungslos in der engen Röhre des MRT liegen.

Schwerere Elemente im Fokus

Ab sieben Tesla richten neben Wasserstoffatomen auch die Atome schwererer Elemente wie Natrium, Kalium, Phosphor und Fluor ihre Kernspins im Magnetfeld aus. Einige Wissenschaftler wollen das für ihre Forschung nutzen. Unter ihnen ist Gregory Chang, der mit dem Sieben-Tesla-Tomografen der New York University Natriumkonzentrationen im Knorpelgewebe von Arthrosepatienten visualisiert. Es gäbe bereits Hinweise darauf, dass in frühen Krankheitsstadien »die Konzentration von Natrium im Knorpelgewebe der Patienten sinkt, ohne dass dies die Struktur des Knorpels beeinflusst«, erklärt der Radiologe. Chang hofft das Verfahren eines Tages nutzen zu können, um die Krankheit früher zu erkennen und zu behandeln und so einen Großteil der Knorpelschäden zu vermeiden.

Der weltweit stärkste MR-Tomograf steht im National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida. Mit einem Innendurchmesser von nur 10,5 Zentimetern ist die 21,1-Tesla-Maschine allerdings zu klein, als dass man darin Menschen scannen könnte. Victor Schepkin und seine Kollegen verwenden sie für Studien an Nagetieren. Die Forscher untersuchten die Natriumkonzentration in Hirntumoren von Ratten. Den Ergebnissen zufolge sagt dieser Wert etwas darüber aus, ob ein Krebsgeschwür gut oder schlecht auf Chemotherapie ansprechen wird.

Anfangs, so Schepkin, arbeiteten er und sein Team nur zögerlich mit dem Ultrahochfeld-Tomografen. »Wir hatten eine Regel: Niemand darf sich allein in der Umgebung des Magneten aufhalten«, so der Wissenschaftler. Das Gebot haben die Forscher mittlerweile gelockert, allerdings achten sie noch immer strikt darauf, kein Metall in die Nähe der Maschine zu bringen.

Es dauerte Jahre, bis der Scanner so weit angepasst war, dass lebende Tiere damit untersucht werden konnten. Auch bei den Hochfeld-MRTs für Menschen kommt es immer wieder zu langen Verzögerungen. So erwartet das NIH sehnsüchtig die Rückkehr eines 11,7-Tesla-Tomografen, der 2011 im Testeinsatz beschädigt wurde. Wissenschaftler hatten die Maschine zu schnell an- und abgeschaltet. Der Magnet überhitzte, woraufhin einige Kabel schmolzen. Das Gerät musste zurück in die Fabrik; die Reparatur soll noch 2019 abgeschlossen werden. Der 11,7-Tesla-Magnet des NeuroSpin Centre in Frankreich wurde im Mai 2018 ausgeliefert und soll nach vier Jahren im Probebetrieb ab 2022 Bilder menschlicher Gehirne liefern.

Während der 10,5-Tesla-MRT in Minnesota die ersten menschlichen Probanden scannt, träumt Ugurbil bereits von einem noch stärkeren Gerät. Er und einige weitere Forscher halten es für denkbar, Menschen mit Magnetfeldern von bis zu 20 Tesla zu untersuchen. Deutschland, China und Südkorea erwägen, 14-Tesla-Geräte für den Einsatz an Menschen zu bauen. Bei dieser Feldstärke könnte das Problem der Gewebsüberhitzung noch heikler sein als bei den aktuellen Hochfeldgeräten. Kritiker befürchten zudem, Magnetfelder von 14 Tesla oder mehr würden die Signalübertragung in Neuronen verlangsamen, periphere Nerven stimulieren oder sogar die DNA schädigen. Schepkin entgegnet, er hätte solche Schäden bei seinen Tierversuchen im 21,1-Tesla-Scanner nie beobachtet. Ab einer gewissen Feldstärke wird man aber wohl mit Problemen rechnen müssen, meint Klaus Scheffler vom Max-Planck-Institut Tübingen: »Irgendwann ist Schluss.«

QUELLEN

Lawrence, S. J. D. et al.: Laminar fMRI: Applications for cognitive neuroscience.NeuroImage 10.1016/j.neuroimage.2017.07.004, 2017

Schepkin, V. D. et al.: In vivo magnetic resonance imaging of sodium and diffusion in rat glioma at 21.1 T.Magnetic Resonance in Medicine 67, 2012

Dieser Artikel im Internet: www.spektrum.de/artikel/1644872