Die Erforschung des menschlichen Gehirns ist eine der größten Herausforderungen der modernen Wissenschaft. Um die komplexen Funktionen und Strukturen dieses faszinierenden Organs zu verstehen, sind innovative Bildgebungstechniken unerlässlich. Dieser Artikel beleuchtet die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet und gibt Einblicke in die vielfältigen Methoden, die heute zur Verfügung stehen.
Einführung
Das menschliche Gehirn ist ein komplexes Organ, dessen Erforschung stetig voranschreitet. Moderne Bildgebungstechniken spielen dabei eine entscheidende Rolle, indem sie uns ermöglichen, sowohl die Struktur als auch die Funktion des Gehirns auf immer detailliertere Weise zu untersuchen. Von der Analyse der Nervenfaserkonstellationen bis hin zur Messung des intrazellulären pH-Werts eröffnen diese Verfahren neue Perspektiven für die Neurowissenschaften und die klinische Diagnostik.
Lichtbasierte Bildgebungstechniken
Simulation der Lichtstreuung
Um die komplexen Gewebestrukturen und Nervenfaserkonstellationen sichtbar zu machen, werden neue Bildgebungstechniken für die Hirnforschung eingesetzt, die die Streuung von Licht nutzen. Ein elektrodynamischer Simulationsansatz wird verwendet, um die Streuung von Licht an bekannten Nervenfasermodellen zu analysieren. Die Simulationen zeigen, dass die Abschwächung des Lichts davon abhängt, wie das Licht relativ zur Nervenfaserrichtung polarisiert ist - ein Effekt, der als „Diattenuation“ bezeichnet wird. Außerdem ergeben sich charakteristische Streumuster, welche Rückschlüsse auf die Orientierungen von kreuzenden Nervenfasern zulassen. Diese Simulationen werden mit modernsten Hochleistungsrechnern entwickelt, gebaut und getestet.
Diattenuation Imaging (DI)
Die Bildgebungstechnik „Diattenuation Imaging“ (DI) ermöglicht es, verschiedene Gewebetypen sichtbar zu machen. Hirnschnitte werden mit linear polarisiertem Licht durchleuchtet. Regionen lassen am meisten bzw. wenigsten Licht durch, wenn das Licht parallel zur Faserrichtung polarisiert ist. Wie sich das Gewebe verhält, hängt von der Zeit ab, die nach Eindeckung der Gehirnschnitte vergangen ist und von anderen Eigenschaften wie z.B. dem Durchmesser der Nervenfasern. Die Ergebnisse werden mit Nervenfaserrichtungen von 3D-PLI verglichen.
Scattered Light Imaging (SLI)
Bei der neu entwickelten Methode „Scattered Light Imaging“ (SLI) werden Hirnschnitte aus verschiedenen Richtungen durchleuchtet und eine Kamera misst jeweils das senkrecht auftreffende Licht. Die Positionen der Maxima in den resultierenden Intensitätsprofilen liefern für jeden Bildpixel die Richtungen der (kreuzenden) Nervenfasern in dem gemessenen Hirnschnitt. Um eine voll-automatisierte Auswertung der Messergebnisse zu ermöglichen, wurde eine eigene Software entwickelt (SLIX - Scattered Light Imaging ToolboX).
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Magnetresonanz-Techniken (MRT)
Die Magnetresonanz-Technologie (MRT) hat sich als eine der vielseitigsten und wichtigsten Bildgebungsmethoden in der medizinischen Diagnostik und Forschung etabliert. Sie ermöglicht detaillierte Einblicke in die Struktur und Funktion des menschlichen Körpers, insbesondere des Gehirns, ohne den Einsatz ionisierender Strahlung.
NMR-Spektroskopie (MRS) und MR-Spektroskopische Bildgebung (MRSI)
Die NMR-Spektroskopie (MRS) ermöglicht den Nachweis von Signalen von Atomkernen mit Spin I≠0, die an Biomoleküle gebunden sind. Die biochemischen Informationen werden nicht-invasiv und ohne ionisierende Strahlung gewonnen. Mehrere Spin-Spezies liefern in vivo NMR-Spektren mit einer Aufnahmezeit von wenigen Minuten, z. B. Spin-½-Kerne wie 1H (Informationen über Hirnstoffwechselprodukte) und 31P (Informationen über Energiestoffwechsel, Membranphospholipidumsatz und intrazellulären pH-Wert). Die Kombination von MRS mit MR-Bildgebungstechniken (MRI) wird als MR-spektroskopische Bildgebung (MRSI) bezeichnet, die Karten der regionalen Häufigkeit und Verteilung von Metaboliten im Gewebe liefert. Die Einführung von Ultrahochfeld-MR-Scannern (Magnetfeldstärke B0 ≥ 7 Tesla) eröffnete neue Perspektiven für die MRS und die MRSI, da sie eine höhere Empfindlichkeit und spektrale Auflösung aufweisen und somit mehr Metaboliten nachweisen können. Um die klinische Anwendbarkeit der MRSI zu fördern, konzentriert sich eine Forschungsgruppe auf die Entwicklung von hochauflösenden MRSI-Methoden bei UHF, um einige technische Herausforderungen zu überwinden, die bei höheren Feldern auftreten.
Ein Beispiel hierfür ist die dreidimensionale Karte, die den intrazellulären pH-Wert des Gehirns eines Patienten mit Glioblastom zeigt und aus einem 31P-MRSI-Scan bei 7T abgeleitet wurde. Das gemessene Signal des Metaboliten anorganisches Phosphat ist in hohem Maße vom intrazellulären pH-Wert abhängig und ermöglicht die Abbildung von pH-Unterschieden zwischen gesundem und krankem Gewebe.
Chemischer Austausch Sättigungstransfer (CEST)
Die Arbeitsgruppe Neuroonkologische Bildgebung beschäftigt sich mit der Entwicklung und klinischen Translation neuer MRT-Bildgebungstechniken sowie dem Einsatz artifizieller Intelligenz in der neuroradiologischen Diagnostik. Ziel der Arbeiten ist die Exploration neuer Kontrastmechanismen und diagnostischen Methoden bei neuro-onkologischen Fragestellungen, die zu einer verbesserten neuroradiologischen Diagnostik führen könnten. Hierbei sind funktionelle und metabolische Bildgebungstechniken von besonderem Interesse, da diese Ansätze Informationen über Stoffwechselprozesse und zelluläres Mikromilieu generieren, die mit konventionellen Techniken nicht zur Verfügung stehen.
Am Universitätsklinikum Bonn stehen der Klinik für Neuroradiologe mehrere 3T MRT-Systeme zur Verfügung, die u.a. den Einsatz einer CE-zertifizierten CEST Sequenz zur Messung des Amid-Proton-Transfers (APT) in klinischen Routineprotokollen erlauben. In mehreren Pilotstudien konnten bereits deutliche Signal-Assoziationen verschiedener CEST-Metriken mit dem Isocitrat-Dehydrogenase (IDH)-Mutationsstatus bei Gliompatienten nachgewiesen werden. Ferner wurde eine Korrelation zwischen CEST Signal und dem progressionsfreien Überleben sowie Gesamtüberleben der Patienten nachgewiesen. Dadurch könnte die CEST MRT bei onkologischen Patienten wichtige Beiträge zur individuellen Therapieplanung sowie Verlaufsbeurteilung liefern.
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Glukose-verstärkte Magnetresonanztomographie
Gliome sind die häufigsten primären intraaxialen Neoplasien beim Erwachsenen. Während Gewebebiopsien zu einem bestimmten Zeitpunkt der Tumordiagnose notwendig sind, eignen sie sich aufgrund ihres invasiven Charakters nicht für die Verlaufskontrolle. Infolgedessen können diese Techniken in der Regel nur Informationen über einen einzigen Zeitpunkt und ein kleines (Proben)-Volumen liefern.
MRT-Daten enthalten Informationen, die weit über die Morphologie hinausgehen und bis auf die Ebene der Gewebemikrostruktur und metabolischer Eigenschaften reichen. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe „Computational Neuroradiology“ des Universitätsklinikums Bonn unter der Leitung von Dr. Markus Schirmer werden mittels Methoden des Maschinellen Lernens Algorithmen entwickelt, die bei der nicht-invasiven Vorhersage / Verlaufskontrolle histopathologische Eigenschaften unterstützen sollen.
Zum Trainieren der Algorithmen werden MRT-Daten bewegungskorrigiert, segmentiert und mit den Daten von Gewebeanalysen co-registriert. Die Kombination von intelligenten automatisierten Analysen und MRT soll perspektivisch neue Erkenntnisse über die Pathophysiologie des Glioms liefern und die Notwendigkeit invasiver diagnostischer Verfahren reduzieren helfen.
Es konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Verfahren die physiologische Glukoseaufnahme im menschlichen Gehirn sowie die pathophysiologisch gesteigerte Glukosekonzentration im Tumor abbildet, was einen potenziellen Mehrwert in der radiologischen Diagnostik bedeuten könnte. In Pilotstudien konnte durch eine Kombination von adiabatischen Spin-Lock-Pulsen (Chemical Exchange sensitiver Spin-Lock = CESL) und T1ρ-gewichteten Sequenzen eine Glukose-verstärkte MR-Bildgebung zur Detektion intravenös applizierte Glukose im menschlichen Gehirn etabliert werden.
Ultrahochfeld-Magnetresonanz (UHF-MR)
Bei MR-Scannern mit einer Magnetfeldstärke ab 7 Tesla sprechen Forscherinnen und Forscher von Ultrahochfeld-Magnetresonanz (UHF-MR). Die Auflösung der Bilder ist so gut, dass Details von bis zu einem halben Millimeter sichtbar werden. Die Berlin Ultrahigh Field Facility (B.U.F.F.) richtete das UHF-MR-Symposium in diesem Jahr zum zehnten Mal am MDC aus. An der Universität in Minnesota arbeitet Professor Kamil Ugurbil aktuell mit dem weltweit leistungsstärksten MR-Scanner für Menschen, der über eine Magnetfeldstärke von 10,5 Tesla verfügt.
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Photoakustische Tomographie (PA)
Die biomedizinische photoakustische (PA) Tomographie basiert auf der Erzeugung von Ultraschall im Gewebe durch die Absorption von intensitätsmoduliertem Licht. Aufgrund der dominanten Absorption von Hämoglobin im sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereich liefert sie hochauflösende 3D-Bilder der Blutgefäße im Weichgewebe. Sie ist auch empfindlich gegenüber exogenen und genetisch exprimierten Kontrastmitteln. Ein großes Potenzial dieser Technologie liegt in der Möglichkeit, 3D-Hochauflösungsbilder von absoluten Chromophorkonzentrationen (z. B. Oxy- und Desoxyhämoglobin, Kontrastmittel) sowie abgeleitete funktionelle Parameter wie die Blutsauerstoffsättigung zu erhalten. Die Entwicklung von Methoden für die quantitative PA-Tomographie ist von entscheidender Bedeutung für die Übertragung dieser Technologie in Routineanwendungen in der funktionellen und molekularen Bildgebung.
Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung eines rein optischen 3D-Bildgebungssystems für die biomedizinische photoakustische (PA) Tomographie, das sich durch eine hochempfindliche akustische Detektion, hohe Bildgebungsraten und eine hohe räumliche Auflösung auszeichnet. Um diese Ziele zu erreichen, werden bestehende Bildgebungstechnologien durch die Integration adaptiver Optiken erweitert, die eine maximale Rauschunterdrückung und damit eine maximale akustische Empfindlichkeit ermöglichen.
Molekulare photoakustische (PA) Tomographie ist eine Hybrid-Bildgebungstechnik, die eine starke absorptionsbasierte Kontrastierung und spektrale Spezifität rein optischer Bildgebungsmodalitäten mit der hohen räumlichen Auflösung von Ultraschall kombiniert. Da die Streuung von Schallwellen im Gewebe um Größenordnungen geringer ist als die von Licht, bietet die PA-Bildgebung hochauflösende Bilder in Tiefen, die über die von rein optischen Methoden angebotenen hinausgehen. Um Gewebe sichtbar zu machen, die für sichtbare und nahinfrarote Anregungswellenlängen transparent sind, werden typischerweise Kontrastmittel benötigt. Die Herausforderung bei der Detektion liegt in ihrer geringen Häufigkeit und damit im schwachen Kontrast vor dem überwältigenden Hintergrund von Hämoglobin. Um eine empfindliche Detektion zu ermöglichen, sind neue Kontrastmittel erforderlich, die einzigartige photophysikalische Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus sind neuartige experimentelle Methoden erforderlich, die diese Eigenschaften zur Detektion nutzen und so die Einschränkungen herkömmlicher Entmischungsansätze überwinden. Die Kontrastmittel sollten auch eine zusätzliche Funktionalität bieten, wie z. B. die Möglichkeit, lokale biophysikalische und biochemische Parameter zu erfassen und zu messen.
In diesem Projekt werden Einzelketten-Polymernanopartikel (SCNP) entwickelt, die mit Farbstoffmolekülen beladen sind, für die PA- und optische Bildgebung. Sie bieten eine starke Absorption, geringe Größe, geeignete Oberflächeneigenschaften für das Targeting und Biokompatibilität. Ihre einzigartigen photophysikalischen Eigenschaften, wie z. B. eine starke nichtlineare PA-Antwort, ebnen den Weg für die Entwicklung hochempfindlicher und eindeutiger Detektionsmethoden, die auf einfachen experimentellen Ansätzen wie der Pump-Probe-Anregung basieren.
Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer nicht-invasiven photoakustischen (PA) Überwachungsmethode für die Blutsauerstoffsättigung im menschlichen Gehirn durch den intakten Schädel. Die Photoakustik ist eine Technik, die zunehmend in der präklinischen Forschung sowie in einigen frühen klinischen Studien eingesetzt wird. Die Photoakustik nutzt kurze Lichtimpulse, um optische Absorber wie Blut anzuregen, Schallwellen auszusenden. Diese Schallwellen können dann mit Ultraschallsensoren gemessen werden. Die Photoakustik ermöglicht hochauflösende Messungen der optischen Absorption in einer Tiefe von mehreren Zentimetern und wird primär als Bildgebungsmodalität eingesetzt. Die transkranielle PA-Bildgebung beim Menschen hat sich bisher als schwierig zu implementieren erwiesen. Die transkranielle Photoakustik als eine Technik nicht zur Bildgebung, sondern zur lokalen Überwachung wurde bisher kaum untersucht.
Die photoakustische Bildgebung des menschlichen Gehirns hat ein großes Potenzial, zur schnellen Diagnose von Schlaganfällen und anderen Hirnverletzungen beizutragen und so eine effektivere Behandlung zu ermöglichen.
Weitere Bildgebungstechniken und Anwendungen
Lichtblatt- und Konfokale Lasermikroskopie
Diese hochmodernen Bildgebungstechniken werden genutzt, um die Mechanismen der Entwicklung, Reifung, Alterung und Degeneration des menschlichen Gehirns zu erforschen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf den Zilien, dünnen haarähnlichen Fortsätzen auf den Zellen.
Time-Resolved Fluorescence Tomography (FT)
Time-resolved fluorescence tomography (FT) wird für die dreidimensionale Visualisierung von fluoreszierenden Geweben mit quantitativer Tiefensensitivität eingesetzt. Ein Ziel ist die Bestimmung des lokalen pH-Wertes durch die Kombination von zeitaufgelöster Fluoreszenz mit pH-sensitiven Markermolekülen.
Virtuelle Realität (VR) in der Bildgebung
Anwendungen der Virtuellen Realität (VR) ermöglichen Ärztinnen und Ärzten eine immersive Diagnoseerfahrung, eine umfassendere Patienteninformation und eine bessere Planung von Eingriffen.
Neuroimaging
Unter Neuroimaging versteht man die Betrachtung von Strukturen und Vorgängen im menschlichen Gehirn mithilfe bildgebender Verfahren. Dabei werden zwei Bereiche unterschieden. Bei der strukturellen Bildgebung untersuchen die Wissenschaftler die Anatomie des Gehirns bis ins Detail. Bei der funktionellen Bildgebung hingegen geht es um die Physiologie des menschlichen Gehirns, das heißt darum, welche Prozesse in bestimmten Hirnregionen ablaufen. Hier erstellen Forscher innerhalb kurzer Zeit tausende Bilder des Gehirns. Einzeln sagen diese nicht viel über die Hirnfunktion aus. Betrachtet man sie aber im zeitlichen Verlauf, können Aktivitätsunterschiede erfasst werden. Denn auf den Bildern sind verschiedene Helligkeitswerte erkennbar: Eine helle Struktur ist bei einer fMRT-Untersuchung beispielsweise ein Zeichen für einen vermehrten Sauerstoffbedarf aufgrund einer erhöhten Stoffwechselaktivität in der entsprechenden Hirnregion. Dunkle Stellen hingegen bedeuten, dass in einem Hirngebiet kaum Aktivitäten ablaufen.
Herausforderungen und Ethische Fragen
Trotz der vielen Vorteile und Möglichkeiten, die die Bildgebung in der medizinischen Diagnostik bietet, stehen wir auch vor Herausforderungen und ethischen Fragen. Die Integration neuer Technologien in bestehende diagnostische Prozesse und Systeme kann komplex sein und erfordert eine sorgfältige Planung und Implementierung. Wie überall, wo neue digitale Anwendungen eingesetzt werden, bleiben Datenschutz und Patientensicherheit von größter Bedeutung. Und zuletzt bestehen sowohl bei Patientinnen und Patienten als auch bei Fachkräften noch immer Vorbehalte gegen die Anwendung von KI. Bei ihrer Implementierung müssen deshalb alle Beteiligten gleichermaßen involviert werden.
Interdisziplinäre Zusammenarbeit
Um moderne Bildgebungs- und Diagnostikverfahren erfolgreich umzusetzen, ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Medizin, Ingenieurswissenschaften, Informatik und anderen Fachgebieten entscheidend.
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