Gehirnanatomie im MRT-Bild: Eine detaillierte Untersuchung

Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat sich als eine unschätzbare Methode zur Darstellung und Untersuchung der Gehirnanatomie etabliert. Sie ermöglicht es, detaillierte Bilder des Gehirns zu erstellen, die für die Diagnose und Behandlung neurologischer Erkrankungen von entscheidender Bedeutung sind. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Aspekte der Gehirnanatomie im MRT-Bild, von den grundlegenden Strukturen bis hin zu fortgeschrittenen Bildgebungstechniken und deren Anwendungen.

Einzigartigkeit der Gehirnanatomie

So wie der Fingerabdruck jeden Menschen unverwechselbar macht, stellt sich die Frage, ob dies auch für die Anatomie unseres Gehirns gilt. Die Arbeitsgruppe um Lutz Jäncke, UZH-Professor für Neuropsychologie, hat sich dieser Frage gewidmet. Ihre Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Kombination aus genetischen und nicht-genetischen Einflüssen nicht nur die Funktionsweise des Gehirns, sondern auch dessen Anatomie beeinflusst.

Profimusiker, Golf- oder Schachspieler weisen beispielsweise Besonderheiten in den Hirngebieten auf, die sie für ihre Expertise besonders stark beanspruchen. Jäncke vermutete, dass solche Erfahrungen, die sich auf das Gehirn auswirken, mit genetischen Veranlagungen interagieren und sich so im Laufe der Jahre bei jeder Person eine ganz individuelle Hirnanatomie entwickelt.

Um diese Hypothese zu überprüfen, untersuchte seine Arbeitsgruppe die Gehirne von knapp 200 gesunden älteren Personen mittels Magnetresonanztomografie, und zwar dreimal während eines Zeitraums von zwei Jahren. Für jede der 191 Personen konnten die Wissenschaftler schliesslich eine individuelle Kombination von neuroanatomischen Kennwerten ausmachen, wobei die Identifikationsgenauigkeit selbst bei den sehr allgemeinen neuroanatomischen Kennwerten bei über 90 Prozent lag.

Obwohl MRT-Scans den Fingerabdruck bei der Personenerkennung zukünftig ersetzen könnten, ist dies unwahrscheinlich, da MRT-Untersuchungen im Vergleich zum bewährten und einfach zu messenden Fingerabdruck zu teuer und aufwändig sind. Dennoch spiegeln die Studienresultate für Jäncke die grosse Entwicklung in seinem Fachgebiet wider: „Noch vor 30 Jahren ging man davon aus, dass das menschliche Gehirn bloss wenige oder gar keine individuellen Merkmale aufweist."

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Die Neuroanatomie und ihre Bedeutung

Die Neuroanatomie ist ein Teilgebiet der Anatomie, das den Aufbau des Nervensystems untersucht. Das menschliche Nervensystem ist für die Reizwahrnehmung, Reizverarbeitung und die Reaktionssteuerung zuständig. Um angehenden Medizinern die feinen Nervenstrukturen sichtbar und erfahrbar zu machen, entwickelte Dr. medizinische 3D-Modelle neurologischer Strukturen des Menschen.

Die Inspiration für die 3D-Modelle sind die Meckelschen Sammlungen gewesen. Diese anatomische Sammlung ist ebenfalls in Halle beheimatet und gilt als eine der größten in Europa. Sie sollte "ungewöhnliche Erscheinungen des menschlichen Organismus" in präparierter Form erhalten. Das Team erstellte aus MRT-Daten schließlich Dateien, die ein 3D-Drucker lesen und verarbeiten kann. Denn mit solch einer plastischen Vorstellung im Kopf lassen sich später auch zweidimensionale Bilder besser verstehen.

Bisher gehören zu Hensels Neuroanatomie-Sammlung sieben 3D-Drucke. Sie stellen normale Hirnbasisarterien und -venen dar. Aber hierbei habe sich gezeigt, dass es schon bei den Hirnbasisgefäßen eine hohe Variabilität gebe. So zeige ein 3D-Ausdruck beispielsweise, dass die Arteria cerebri posterior (hintere Gehirnschlagader), die eigentlich paarig vorkommt, im Ausnahmefall auch dreifach vorhanden sein könne. Die neuroanatomische Sammlung soll nun in der Klinik für Neurologie weiter wachsen und künftig womöglich auch an einen anderen Ort umziehen, heißt es.

MRT-Bildgebung des Gehirns: Grundlagen und Technik

MRT-Sequenzen und ihre Anwendungen

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nicht-invasive Bildgebungstechnik, die detaillierte Bilder des Gehirns liefert. Sie basiert auf der Nutzung von Magnetfeldern und Radiowellen, um Bilder von hoher Qualität zu erzeugen. Für die Untersuchung der Gehirnanatomie werden verschiedene MRT-Sequenzen eingesetzt, die jeweils unterschiedliche Aspekte des Gewebes hervorheben.

• T1-gewichtete Aufnahmen: Diese Sequenzen bieten eine ausgezeichnete Darstellung der anatomischen Strukturen des Gehirns. Sie werden häufig verwendet, um die graue und weiße Substanz zu unterscheiden und die allgemeine Struktur des Gehirns zu beurteilen.
• T2-gewichtete Aufnahmen: T2-gewichtete Bilder sind empfindlicher für Flüssigkeitsveränderungen im Gewebe. Sie sind nützlich, um Ödeme, Entzündungen und andere pathologische Veränderungen zu erkennen.
• FLAIR (Fluid Attenuated Inversion Recovery): FLAIR-Sequenzen sind eine Variante der T2-gewichteten Aufnahmen, bei denen das Signal von freiem Wasser unterdrückt wird. Dies ermöglicht eine bessere Darstellung von Läsionen in der Nähe der Ventrikel und im subarachnoidalen Raum.
• Diffusionsgewichtete Bildgebung (DWI): DWI misst die Bewegung von Wassermolekülen im Gewebe. Sie ist besonders nützlich für die Erkennung von akuten Schlaganfällen, da sie Veränderungen in der Diffusion von Wasser in den ersten Stunden nach dem Ereignis aufzeigen kann.
• Magnetresonanzangiographie (MRA): MRA wird verwendet, um die Blutgefäße im Gehirn darzustellen. Sie kann helfen, Aneurysmen, Stenosen und andere vaskuläre Anomalien zu erkennen.

Akquisition und Verarbeitung von MRT-Daten

Die MRT-Bilder, die für die Analyse der Gehirnanatomie verwendet werden, stammen von einem gesunden Probanden und werden in dünnen Abschnitten (0,6 mm) mit 3D-Volumenerfassung in T1-Gewichtung ohne Injektion von Gadolinium in den 3 üblicherweise verwendeten Ebenen mit einer Matrix von 320/320 Pixeln unter Verwendung einer MRT-Maschine von 1,5 Tesla erstellt. Eine arterielle MR-Angiographie des Willis-Polygons (Laufzeitmessung) und eine Phasenkontrast-MRA wurden in einem zweiten Schritt am gleichen Thema durchgeführt.

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Die Querschnittsbilder des menschlichen Gehirns wurden mit Hilfe der Adobe Photoshop-Software in der Größe verändert und zugeschnitten und dann in ein mit Adobe Animate erstelltes Modul integriert. Um das Herunterladen zu erleichtern, wurden die Bilder in optimaler Qualität herunterzuladen (in dem Wissen, dass die Starmatrix bei 320/320 Pixel bleibt).

In einem zweiten Schritt wurde das 3D-Rendering von Gehirn, Ventrikeln, Hirnstamm, Kleinhirn, Arterien für das Gehirn und zerebralen Hirnsinus aus den Querschnittsbildern auf einer DICOM-Rekonstruktionskonsole durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Rekonstruktionen vom gleichen Patienten stammen, was es dem Benutzer ermöglicht, Schnittbilder mit 3D-Bildern des menschlichen Gehirns zu korrelieren. Darüber hinaus wurden einige Rekonstruktionen mit Adobe Photoshop leicht modifiziert, um den Lehrinhalt zu verbessern und einige Artefakte zu entfernen, aber es wurde keine Struktur künstlich hinzugefügt (z.B. sind nicht alle Hirnnerven auf den Hirnstammbildern sichtbar).

Anatomische Strukturen im MRT-Bild

Das Gehirn besteht aus verschiedenen anatomischen Strukturen, die im MRT-Bild gut sichtbar sind. Zu den wichtigsten Strukturen gehören:

• Großhirn: Das Großhirn ist der größte Teil des Gehirns und besteht aus zwei Hemisphären, die durch die Fissura longitudinalis cerebri getrennt sind. Jede Hemisphäre ist in vier Lappen unterteilt: Frontallappen, Parietallappen, Temporallappen und Okzipitallappen.
• Kleinhirn: Das Kleinhirn befindet sich im hinteren Teil des Gehirns und ist für die Koordination von Bewegungen und das Gleichgewicht verantwortlich. Es besteht aus zwei Hemisphären und dem Vermis.
• Hirnstamm: Der Hirnstamm verbindet das Gehirn mit dem Rückenmark und besteht aus dem Mittelhirn, der Brücke und dem verlängerten Rückenmark. Er ist für die Steuerung lebenswichtiger Funktionen wie Atmung, Herzfrequenz und Blutdruck verantwortlich.
• Ventrikel: Die Ventrikel sind mit Liquor cerebrospinalis gefüllte Hohlräume im Gehirn. Sie bestehen aus den Seitenventrikeln, dem dritten Ventrikel und dem vierten Ventrikel.
• Basalganglien: Die Basalganglien sind eine Gruppe von Kernen im Inneren des Großhirns, die an der Steuerung von Bewegungen, der Planung und dem Lernen beteiligt sind.
• Weiße Substanz: Die weiße Substanz besteht aus Nervenfasern, die von einer Myelinschicht umgeben sind. Sie verbindet verschiedene Bereiche des Gehirns miteinander und ermöglicht die Kommunikation zwischen ihnen.
• Graue Substanz: Die graue Substanz besteht aus Nervenzellkörpern und Dendriten. Sie ist für die Verarbeitung von Informationen im Gehirn verantwortlich.

Detaillierte Betrachtung spezifischer Hirnregionen

Die anatomischen Strukturen des menschlichen Gehirns wurden in Gruppen und Untergruppen eingeteilt, die wahlweise angezeigt werden können:

• Hirnlappen und Hirngebiete, Hirnstamm und Kleinhirn
• Großhirn mit den verschiedenen Lappen, die zerebralen Kommissurfasern (Balken, Fornix, Balkenschicht, Balkenzwinge), Assoziationsfasern des Großhirns, Basalkerne und verwandte Strukturen (Basalganglien, blasser Kern, linsenförmiger Kern, äußerer Linsenkern, innen- und Außenkapseln, usw.), Endhirnbasis (Riechstreifen, Kernkomplex-Vormauer-Gebiet, Mandelkörper, vordere perforierte Substanz), und schließlich das Brodmann-Areal (beachten Sie, dass die Klassifizierung auf ein Jahrhundert datiert und oft in Frage gestellt wird und dass außerdem die numerische Nomenklatur stabil ist, aber im Gegensatz dazu die wörtliche Bezeichnung der Brodmann-Areale mehreren Variationen unterliegt).
• Zwischenhirn umfasst insbesondere den Sehhügel, die Pulvinarkerne, die Epiphysenstiel, die Zirbeldrüse, das Infundibulum (Hypophysenstiel) und die Neurohypophyse (der Vorderlappen der Hypophyse, der nicht zum zentralen Nervensystem gehört).
• Kleinhirn mit seinen verschiedenen Fissuren und Lappen sowie den Strukturen des Kleinhirnwurms.
• Der Hirnstamm, unterteilt in Mittelhirn, Brücke und verlängertes Rückenmark (Bulbärhirn, Nachhirn). Die Hirnnerven auf der Ebene ihrer Entstehung, und die Hirnnervkerne mit einer Projektion ihrer vermeintlichen Position auf den Hirnstamm.
• Die Hirnkammern (Seitenventrikel, dritter Ventrikel, vierter Ventrikel) mit dem Adergeflecht.
• Die Hirnhäute mit Säcken, die die Cerebrospinalflüssigkeit (CFS), aber auch die verschiedenen Schichten und pericerebralen Räume enthalten (natürlich sind die harte-, die weiche- und die Spinnweben-Hirnhaut und die Zwischenräume zwischen ihnen bei einem gesunden Menschen nur sehr schwer zu identifizieren und die Anordnung der Beschriftungen ist hier ungefähr).
• Die Arterien der Enzephalie, die aus den inneren Halsschlagadern und Wirbelsäulen entstehen und den Willis-Kreis (Arterienkreis an der Hirnbasis) bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses MRT ohne Gadoliniuminjektion ist; die großen Arterien sind durch hyperintenses Fließphänomen sichtbar, aber die kleinen Arterien sind nicht sichtbar und wir haben es vorgezogen, sie nicht zu beschriften.
• Die wichtigsten tiefen und oberflächlichen, Diploë- und Emissarienvenen (mit den gleichen Einschränkungen wie die Arterien auf diesem MRT ohne Injektion), sowie die verschiedenen Hirnsinus (oberer Pfeilblutleiter und unterer S-förmiger Blutleiter, gerader Blutleiter, Schwellkörperhöhle, unterer und oberer Felsenbeinblutleiter).

Fortgeschrittene MRT-Techniken zur Analyse der Gehirnanatomie

Diffusions Tensor Bildgebung (DTI)

Die Diffusions Tensor Bildgebung (DTI) ist eine spezielle MRT-Technik, die die Diffusion von Wassermolekülen im Gehirn misst. Sie ermöglicht die Visualisierung der weißen Substanz und die Rekonstruktion von Nervenbahnen. DTI wird häufig verwendet, um Verletzungen der weißen Substanz bei traumatischen Hirnverletzungen,Multipler Sklerose und anderen neurologischen Erkrankungen zu beurteilen.

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Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) misst die Aktivität des Gehirns, indem sie Veränderungen im Blutfluss detektiert. Sie ermöglicht die Identifizierung von Hirnregionen, die an bestimmten Aufgaben beteiligt sind. fMRT wird häufig in der Forschung eingesetzt, um die neuronalen Grundlagen von Kognition, Emotion und Verhalten zu untersuchen.

Magnetisierungstransfer Bildgebung (MTI)

Die Magnetisierungstransfer Bildgebung (MTI) misst die Interaktion zwischen freien Wassermolekülen und Makromolekülen im Gewebe. Sie ist empfindlich für Veränderungen in der Gewebestruktur und wird häufig verwendet, um die Myelinisierung der weißen Substanz zu beurteilen.

Suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung (SWI)

Die Suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung (SWI) ist eine MRT-Technik, die empfindlich für Veränderungen in der Suszeptibilität des Gewebes ist. Sie ermöglicht die Visualisierung von Blutprodukten, Kalzifizierungen und Eiseneinlagerungen im Gehirn. SWI wird häufig verwendet, um vaskuläre Erkrankungen, traumatische Hirnverletzungen und neurodegenerative Erkrankungen zu beurteilen.

Myeloarchitektur und Eisenarchitektur

Die gemeinsame Forschungsarbeit zielt darauf ab, in vivo kortikale Verteilungen von Myelin und Eisen (d. h. Myeloarchitektur und Eisenarchitektur) zu erhalten, die die Zytoarchitektur ergänzen, indem ein 7T-MRT-System und Deeplearning-basierte fortgeschrittene Suszeptibilitätsbildgebung eingesetzt werden. Es wird erwartet, dass die hochauflösende Darstellung der detaillierten kortikalen Laminarstruktur eine In-vivo-Parzellierung des menschlichen Gehirns ermöglichen wird, die derzeit nur in Ex-vivo-Gehirnen unter Verwendung der Histologie möglich ist.

Für die Untersuchung der Myelo- und Eisenarchitektur in vivo wollen wir die χ-Separation, ein kürzlich entwickeltes Suszeptibilitätsbildgebungsverfahren, einsetzen. Die χ-Separation kann nachweislich Bilder erzeugen, die die Eisen- und Myelinverteilung im menschlichen Gehirn widerspiegeln. Unser Hauptziel ist die Entwicklung einer Bildgebungsmethode, die auf der χ-Separation basiert, um hochauflösende Bilder der Myelin- und Eisenarchitektur des lebenden Gehirns zu erhalten.

Die geplante Forschung besteht aus drei Teilen: Datenerfassung, Datenverarbeitung und Datenvalidierung. Bei der Datenerfassung wird ein 7T-MRT-System zusammen mit fortschrittlichen Erfassungstechniken eingesetzt, um hochauflösende Bilder in hoher Qualität zu erhalten. Bei der Datenverarbeitung werden fortschrittliche Verarbeitungstechniken, einschließlich Deep-Learning-basierter hochwertiger Bildrekonstruktion, zur Verarbeitung hochauflösender Bilder eingesetzt. Zur Datenvalidierung werden In-vivo- und Ex-vivo-MRT-Bilder mit Histologiebildern verglichen, um die Durchführbarkeit der vorgeschlagenen Methode zu demonstrieren.

Anwendungen der MRT in der klinischen Praxis

Die MRT spielt eine entscheidende Rolle bei der Diagnose und Behandlung einer Vielzahl von neurologischen Erkrankungen. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

• Schlaganfall: Die MRT kann verwendet werden, um akute Schlaganfälle zu erkennen und das Ausmaß der Hirnschädigung zu beurteilen.
• Multiple Sklerose: Die MRT ist ein wichtiges Instrument zur Diagnose und Überwachung von Multipler Sklerose. Sie kann verwendet werden, um Läsionen im Gehirn und Rückenmark zu erkennen und die Krankheitsaktivität zu beurteilen.
• Hirntumoren: Die MRT kann verwendet werden, um Hirntumoren zu erkennen, ihre Größe und Lage zu bestimmen und ihre Beziehung zu umliegenden Strukturen zu beurteilen.
• Demenz: Die MRT kann verwendet werden, um Veränderungen in der Gehirnstruktur bei Demenz zu erkennen, wie z. B. Atrophie des Hippocampus bei der Alzheimer-Krankheit.
• Traumatische Hirnverletzungen: Die MRT kann verwendet werden, um Hirnverletzungen nach einem Trauma zu erkennen, wie z. B. Kontusionen, Blutungen und diffuse axonale Schäden.
• Epilepsie: Die MRT kann verwendet werden, um strukturelle Anomalien im Gehirn zu erkennen, die zu Epilepsie führen können, wie z. B. Hippocampussklerose oder kortikale Dysplasien.

Fallbeispiele und klinische Beispiele

Die klinische Anwendung der MRT in der Beurteilung der Gehirnanatomie wird durch zahlreiche Fallbeispiele verdeutlicht. Beispielsweise kann die MRT bei der Diagnose von Schlaganfällen helfen, indem sie die betroffenen Gebiete des Gehirns sichtbar macht und somit eine schnelle Behandlung ermöglicht. Bei Patienten mit Multipler Sklerose kann die MRT die charakteristischen Läsionen in der weißen Substanz aufzeigen und so die Diagnose unterstützen und den Krankheitsverlauf überwachen.

Herausforderungen und Zukunftsperspektiven

Obwohl die MRT eine leistungsstarke Technik zur Untersuchung der Gehirnanatomie ist, gibt es auch einige Herausforderungen. Eine der größten Herausforderungen ist die lange Scanzeit, die für einige Patienten unangenehm sein kann. Darüber hinaus sind MRT-Geräte teuer und nicht überall verfügbar.

In Zukunft werden Fortschritte in der MRT-Technologie voraussichtlich zu kürzeren Scanzeiten, höherer Bildqualität und neuen Anwendungen führen. Beispielsweise werden neue MRT-Techniken entwickelt, um die Funktion des Gehirns noch detaillierter zu untersuchen und die Diagnose und Behandlung von neurologischen Erkrankungen zu verbessern.

Hochauflösende MRT-Daten

Wissenschaftler der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg sammelten über 10 Jahre mittels Magnetresonanztomographie (MRT) Bilddaten von Gehirnstrukturen eines einzelnen Probanden mit der bisher höchsten räumlichen Auflösung, die je an einem lebenden Probanden gemessen wurde. Die Überlagerung von mehreren ultra-hochaufgelösten MRT-Kontrasten zeigt die Anatomie und Gefäßversorgung des menschlichen Hirns.

Durch die in Magdeburg vorhandenen und die teilweise hier entwickelten Spitzentechnologien sowie das wissenschaftliche Know-how ist die räumliche Auflösung und Datenqualität den meisten Studien weit überlegen“, schätzt der Medizintechniker Dr. Falk Lüsebrink, der das Projekt betreute, ein. „Aufgrund der ultra-hohen Auflösung und der hohen Qualität konnten wir Strukturen sehen, die bisher noch nie in vivo identifiziert wurden. Wir haben über 240 GB Daten für diesen Datensatz aufbereitet und zusammengeführt.“

Dr. Lüsebrink erklärt, dass „neben der Kollektion von Daten des gleichen Probanden über einen Zeitraum von über zehn Jahren der Datensatz auch unterschiedliche Kontraste beinhaltet. Diese bilden nicht nur die Anatomie auf verschiedene Arten ab, sondern auch die Blutversorgung, Mikrostruktur und Funktion. Das Forscherteam erwartet, dass dieser neue einzigartige Datensatz in vielen multimodalen Analysen zum Einsatz kommen wird, z. B. zur Zusammenführung von Daten für Visualisierung und Lehre, zur Erstellung von Hirnatlanten oder zur Untersuchung der Großhirnrinde. Da die Daten über zehn Jahre gesammelt wurden, können sie beispielsweise auch herangezogen werden, um Änderungen im Volumen von Hirnregionen aufgrund des Alterns zu analysieren.

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