Einführung
Die Echoaufnahme des Gehirns, auch Echolokation genannt, ist die Fähigkeit, sich durch das Aussenden von Schallwellen und das Interpretieren der zurückkehrenden Echos zu orientieren. Diese Fähigkeit ist vor allem bei Fledermäusen und Walen bekannt, aber auch einige Menschen, insbesondere blinde Menschen, können diese Technik erlernen und nutzen. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie das Gehirn Informationen durch Echolokation verarbeitet, welche Gehirnregionen beteiligt sind und wie sich das Gehirn an diese Fähigkeit anpassen kann.
Die Grundlagen der Echolokation
Echolokation funktioniert, indem ein Lebewesen Schallwellen aussendet und dann auf die Echos achtet, die von Objekten in der Umgebung zurückgeworfen werden. Anhand der Zeit, die das Echo benötigt, um zurückzukehren, der Richtung, aus der es kommt, und der Veränderungen in der Frequenz des Schalls kann das Lebewesen ein mentales Bild seiner Umgebung erstellen.
Echolokation beim Menschen
Einige blinde Menschen haben die Fähigkeit entwickelt, sich durch Echolokation zu orientieren. Sie erzeugen Klicklaute mit der Zunge oder nutzen andere Geräusche, um Echos zu erzeugen und ihre Umgebung wahrzunehmen. Daniel Kish, ein blinder Mann, ist ein bekanntes Beispiel für jemanden, der die Echolokation beherrscht. Er kann mit dieser Technik Fahrrad fahren, Basketball spielen und sogar wandern.
Wie das Gehirn Echolokationsinformationen verarbeitet
Studien mit bildgebenden Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) haben gezeigt, dass bei der Echolokation bestimmte Gehirnregionen aktiviert werden. Interessanterweise sind dies oft die gleichen Regionen, die auch für das Sehen zuständig sind, insbesondere der visuelle Cortex.
Eine Studie untersuchte die Gehirnaktivität von blinden Menschen, während sie Echolokation nutzten. Die Ergebnisse zeigten, dass der visuelle Cortex aktiviert wurde, wenn die Teilnehmer Echos hörten. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn die Echolokationsinformationen auf ähnliche Weise verarbeitet wie visuelle Informationen.
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Anpassungsfähigkeit des Gehirns
Eine weitere interessante Frage ist, wie sich das Gehirn an die Echolokation anpasst. Eine Studie von Forschern brachte zwölf blinden und 14 sehenden Erwachsenen die Methode der Echolokation bei. Die Testpersonen lernten in 20 zwei- bis dreistündigen Einheiten, allein mithilfe von zuvor aufgenommenen und dann abgespielten Klicklauten verschieden große Gegenstände zu orten und sich selbst in einem Raum zurecht zu finden. Vor und nach dem zehnwöchigen Training erstellten die Psychologen zudem jeweils Aufnahmen der Gehirne der Versuchspersonen und verglichen diese miteinander.
Der Vorher-Nachher-Vergleich zeigte: Die Areale, die für das Sehen zuständig sind - der primäre visuelle Cortex in beiden Gehirnhälften -, hatte sich bei den Testpersonen während des Trainings erkennbar umorganisiert. Die Neuronen in dieser Gehirnregion waren anders strukturiert. Dadurch waren sie sensitiver gegenüber Echoreizen geworden und entsprechend aktiver, wenn die Klicklaute ertönten, wie das Team feststellte. Zudem reagierte in den Versuchen auch ein Areal, das für das Hören zuständig ist - der primäre auditorische Cortex in der rechten Gehirnhälfte -, bei den trainierten Testpersonen empfindlicher auf Geräusche jeglicher Art, nicht nur Echos. Darüber hinaus waren nach dem Training auch weitere Gehirnregionen der Probanden aktiver als vor den Echo-Übungen, darunter die oberen und unteren Scheitellappen. Das Gehirn von „Echo-Hörenden“ unterschied sich demnach bereits nach zehn Wochen Training von dem im ungelernten Zustand - zumindest bei jeweils etwa acht der Probanden aus beiden Gruppen. Überraschenderweise fanden die Psychologen in den fMRT-Aufnahmen hingegen keine Unterschiede zwischen den Gehirnen von Blinden und Sehenden.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das Gehirn tatsächlich an die Echolokation anpassen kann, indem es den visuellen Cortex für die Verarbeitung von Schallinformationen nutzt. Dies zeigt die bemerkenswerte Plastizität des Gehirns und seine Fähigkeit, sich an neue Herausforderungen anzupassen.
Widerlegung von Annahmen
Der Versuch widerlegt damit zwei Annahmen zur Klick-Ortung: Dass sich das Gehirn von Sehenden weniger stark an die Echolokation anpassen würde als das von Blinden und dass für eine neuronale Anpassung an die Echoortung deutlich mehr Übung nötig ist. Norman und seine Kollegen schließen aus ihren Beobachtungen, dass sich unser Gehirn viel flexibler an neue Bedürfnisse anpassen kann und plastischer umformen lässt als gedacht. Insbesondere macht es offenbar keinen Unterschied, wie gut oder viel wir (noch) sehen können. „Wir haben gezeigt, dass das Gehirn von Blinden und Sehenden tatsächlich ähnlich reagiert, wenn sie die Echoortung lernen. Das zeigt, wie anpassungsfähig unser Gehirn ist - unabhängig davon, welches sensorische Repertoire man hat”, sagt Seniorautorin Lore Thaler von der Durham University.
Die Rolle der Magnetresonanztomographie (MRT) in der Neurowissenschaft
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wichtiges Werkzeug in den modernen Neurowissenschaften. MRT-Untersuchungen können beliebig oft wiederholt werden. Mit der MRT lassen sich verschiedene Kontraste, die aus unterschiedlichen physikalischen und physiologischen Eigenschaften von Gewebe resultieren, darstellen. Neben der rein anatomischen Bildgebung können auch physiologische Vorgänge wie die Aktivierung von Gehirnarealen oder die Durchblutung von Gehirngewebe erfasst werden.
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Hochfeld-MRT
In der Forschung ist man bestrebt, physiologische Vorgänge mit einer immer höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung zu erfassen. Dabei stößt man zusehends an die Grenzen dessen, was mit heutigen Standard-MRT-Geräten möglich ist. Eine wesentliche Methode, die Grenzen der MRT auszuweiten, besteht darin, höhere Magnetfeldstärken zu verwenden. In der klinischen Routine zeichnet sich ab, dass die zurzeit gebräuchliche Standardfeldstärke von 1,5 Tesla (etwa 30.000-mal stärker als das Erdmagnetfeld) auf 3 Tesla erhöht wird. Diese Entwicklung ist ein direktes Resultat aus der Forschung, wo man bereits von der Hochfeld-MRT (bis etwa 4 Tesla) zur Ultra-Hochfeld-MRT übergegangen ist.
Das MR-Signal wächst quadratisch mit der Magnetfeldstärke, wohingegen das Rauschen linear zunimmt. Daher erhofft man sich durch die höhere Feldstärke ein verbessertes S/R. Ein direkter Vergleich anatomischer Aufnahmen bei 3 Tesla und bei 7 Tesla zeigt deutlich, dass man durch das höhere S/R bei 7 Tesla eine höhere Bildqualität erzielen kann.
Herausforderungen bei höheren Feldstärken
Neben dem erwünschten Effekt des verbesserten S/R skalieren sich allerdings auch unerwünschte Größen mit der Feldstärke. Vor allem bei ultraschnellen MRT-Bildgebungsmethoden wie dem erwähnten EPI-Verfahren treten feldstärkeabhängige Probleme auf. Ein weiteres, ebenfalls feldstärkeabhängiges Problem beim EPI-Verfahren sind die sogenannten Suszeptibilitätsartefakte. Dies sind lokale Verzerrungen der Objektgeometrie, die besonders im Bereich von Gewebe-Luft-Grenzflächen auftreten (frontale und basale Gehirnregionen in der Nähe der Nebenhöhlen und des Innenohres).
Techniken zur Verbesserung der Bildqualität
Die einfachste Möglichkeit, den störenden Einfluss von hochfeldspezifischen Problemen auf die Bildqualität zu reduzieren, besteht darin, schnellere Bildgebung zu betreiben. Bei der parallelen Bildgebung hängt die Aufnahmezeit direkt von der Menge der aufzunehmenden Bilddaten ab. Reduziert man die Menge dieser Daten, reduziert sich auch die Aufnahmezeit.
Ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Aufnahmegeschwindigkeit ist die Zoomed-Technik. Ähnlich wie bei der parallelen Bildgebung wird der k-Raum mit verringerter Dichte abgetastet, was zu einem verkleinerten Sichtfeld und somit zu Faltungsartefakten führt. Bei der Zoomed-Technik werden aber vor der eigentlichen Aufnahme alle Regionen außerhalb des verkleinerten Sichtfeldes derart präpariert, dass aus diesen Bereichen kein MR-Signal mehr entstehen kann.
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Die Aufnahmegeschwindigkeit in der MRT lässt sich auch durch die Verwendung anderer Abtaststrategien erhöhen. Neben der gebräuchlichen kartesischen k-Raumabtastung gibt es nicht-kartesische Abtastschemata. Bei der Spiralbildgebung etwa wird der gesamte k-Raum entlang einer archimedischen Spiralbahn abgetastet.
Die Zukunft der Hochfeld-MRT
Der Schritt zu höheren Magnetfeldstärken in der MRT ist nicht unumstritten. Der Aufwand für die Installation und den Betrieb solcher Geräte ist deutlich höher als bei Standard-MRT-Geräten. Auch die hochfeldspezifischen Probleme treten viel deutlicher auf. Andererseits sind mit Standardgeräten keine Fortschritte mehr in der räumlichen und zeitlichen Auflösung von MRT-Aufnahmen zu erzielen.
Noch vor wenigen Jahren wurde der Sinn von Hochfeldgeräten bis 3 Tesla in der medizinischen Diagnostik infrage gestellt. Mittlerweile etabliert sich in der klinischen Routine ein neuer Standard bei 3 Tesla. Die Forschung arbeitet daran, die Vorteile der Ultra-Hochfeld-MRT nutzbar zu machen, um Substrukturen in Gehirnarealen und Verknüpfungen zwischen einzelnen Arealen anatomisch und physiologisch mit einer bisher nicht erreichbaren Genauigkeit zu erfassen.
Das Human Brain Project
Das Human Brain Project hat zum Ziel, das gesamte Wissen über das menschliche Gehirn zusammenzufassen und mittels computerbasierter Modelle und Simulationen nachzubilden. Als Ergebnis werden auch neue Erkenntnisse über ZNS-Erkrankungen erwartet.
Ein Kern des Projekts ist der „HBP-Gehirnatlas“, ein multimodales 3D-Modell, das in bisher nicht dagewesener Auflösung und Detailtiefe Informationen über den jeweils interessierenden Bereich des Gehirns verfügbar machen wird - von der Zell- oder Rezeptorarchitektur über Genexpression bis zur Konnektivität und zu funktionellen Aktivitätsmustern.
JuBrain ist ein zytoarchitektonischer Atlas, der auf einer Klassifikation mikrostrukturell unterscheidbarer Hirnareale in 10 Post-mortem-Gehirnen basiert. Arealgrenzen wurden dabei beobachterunabhängig durch algorithmenbasierte Bildauswertung lokalisiert und Wahrscheinlichkeitskarten erstellt, um die Intervariabilität abzubilden.
Das Referenzgehirn BigBrain ist eine 3D-Rekonstruktion eines menschlichen Gehirns aus über 7 400 einzelnen Gewebeschnitten mit einer Auflösung von 20 μm. Es erlaubt somit eine ortsgetreue Abbildung von Daten innerhalb von Hirnarealen und kortikalen Schichten.
Die Integration von umfangreichen neurowissenschaftlichen und klinischen Daten in den Atlas soll dazu beitragen, neue Erkenntnisse der verschiedenen Organisationsebenen des Gehirns zu erreichen.
Weitere Anwendungen der Echoaufnahme
Neben der räumlichen Orientierung spielt die Echoaufnahme auch eine Rolle im auditorischen Gedächtnis.
Das echoische Gedächtnis
Das echoische Gedächtnis bezeichnet den Teil des senorischen Gedächtnisses, welcher für die Aufnahme und kurzfristige Speicherung von auditorischen Reizen verantwortlich ist. Das echoische Gedächtnis hat zwar eine relativ große Kapazität, jedoch kommt es auch zu einem schnellen Verfall der Sinneseindrücke. So werden Informationen über einen Zeitraum von 4 bis 18 Sekunden aufrechterhalten und danach wieder von neuen auditiven Reizen überschrieben.
Über das echoische Gedächtnis ist es uns beispielsweise möglich, die Herkunft von Geräuschen zu bestimmen. Ein Geräusch kommt immer zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt und mit einer unterschiedlichen Lautstärke beim rechten oder linken Ohr an. Das echoische Gedächtnis vergleicht die Geräuschunterschiede, indem es das Geräusch so lange speichert, bis es auch beim anderen Ohr angekommen ist.
Das echoische Gedächtnis ermöglicht es uns erst einzelnes Gesprochenes und einzelne Geräusche zu einem größeren Konzept zusammenzufügen. Je nach Relevanz des Sinneseindruckes wird er in das Arbeitsgedächtnis übertragen, wo er dann für längere Zeit abrufbar ist.
Training des echoischen Gedächtnisses
Diese Gedächtnisform kann trainiert werden, indem z.B. mehrere auditive Reize (wie etwa Zahlen) aus verschiedenen Richtungen kommen, die man sich merken muss.