Die Kernspintomographie (MRT), auch Magnetresonanztomographie genannt, ist ein wichtiges Werkzeug in der modernen Hirnforschung und medizinischen Diagnostik. Sie ermöglicht es, Organe und ihre Funktionen bildlich darzustellen, indem sie die magnetischen Eigenschaften der Atome im Körper nutzt. Wissenschaftler setzen sie gerne zur Untersuchung unseres Gehirns und seiner Funktionen ein. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Anwendungen und neuesten Erkenntnisse im Bereich der Gehirnregeneration, Schlaganfallforschung und Neuroinflammation unter Verwendung der Kernspintomographie.
Einfluss des Magnetfelds auf die Raumwahrnehmung
Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Dr. Hans-Otto Karnath vom Hertie-Institut für klinische Hirnforschung und der Neurologischen Universitätsklinik Tübingen hat herausgefunden, dass die MRT-Untersuchung selbst die Gehirnleistungen beeinflussen kann. Das starke Magnetfeld des MRT-Scanners stimuliert ungewollt das Gleichgewichtsorgan und verzerrt dadurch die Raumwahrnehmung bei gesunden Versuchspersonen. Werden die Personen wieder aus der Röhre geholt, normalisiert sich ihre Wahrnehmung wieder. Diese Erkenntnis ist bedeutsam für künftige Studien in den Neurowissenschaften, die die verfälschte räumliche Aufmerksamkeit im MRT-Scanner berücksichtigen müssen.
Neurobiologe und Erstautor Dr. Axel Lindner berichtet, dass Untersuchungen im Magnetfeld harmlos sind und nicht der Gesundheit schaden. Manche Personen bemerken die Auswirkung des Feldes, indem ihnen im Scanner leicht schwindelig wird. Die Wissenschaftler beobachteten, dass sich gesunde Versuchspersonen im MRT plötzlich anders verhielten: Ihre räumliche Aufmerksamkeit driftete zur rechten Seite ab, und das Gefühl für die Orientierung des eigenen Körpers im Raum war gestört. Neurologe Karnath erklärt, dass diese Beobachtungen stark an Wahrnehmungsstörungen erinnerten, wie sie nach Schlaganfällen auftreten können.
Die Hirntätigkeit ist unter dem Magnetfeld auf jeden Fall verändert. Möglicherweise kann das beobachtete Phänomen dazu genutzt werden, um Schlaganfallpatienten mit Neglect zu therapieren. In weiteren Schritten wollen die Forschenden untersuchen, ob der Effekt bei längeren und mehrfachen MRT-Sitzungen doch über längere Zeit anhält und ob er bei Erkrankten die Symptome abschwächen kann.
Hochfeld-MRT in der Schlaganfallforschung
Im Rahmen experimenteller Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Akuttherapie beim Schlaganfall wird neben histologischen Analyseverfahren auch die Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet, um die Pathologien des Schlaganfalls in vivo darzustellen. Hierbei kommt ein 9,4 Tesla Hochfeld-MRT zur Anwendung, welches auf Kleintiere ausgerichtet ist. Die Verwendung einer speziellen Cryospule erhöht die Sensitivität des MRT um den Faktor 2,5, wodurch zwei- oder dreidimensionale Bilder entstehen, die trotz der winzige Gewebegröße des Maus- und Rattengehirns eine der klinisch humanen Situation gleichwertige und in manchen Belangen sogar überlegene Bilddarstellung ermöglichen.
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Neben seriellen in vivo Untersuchungen der Hirnschädigung und MR-Angiographien werden die Analysen in Kooperation mit dem Institut für Computerunterstützte Klinische Medizin (CKM, Lehrstuhl Prof. Dr. L. R. Schad) um Natrium MRT Sequenzen ergänzt. Die Messung der Diffusionsrichtung von Natrium-Ionen im Gehirn erlaubt möglicherweise die funktionelle Darstellung des vom Infarkt betroffenen Gebietes. Im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren, deren Messungen sich auf Wasser beziehen, erlaubt die Darstellung von Natrium eine stärker funktionelle Analyse der pathophysiologischen Hirnprozesse.
Stammzelltherapie bei zerebrovaskulären Erkrankungen
Zerebrovaskuläre Erkrankungen wie Schlaganfall, intrazerebrale Blutungen oder vaskuläre Demenz sind eine wichtige und häufige Ursache für Morbidität und Mortalität in den heutigen Industrienationen. Nachdem die rtPa-Lysetherapie in den ersten Stunden nach akuten Gefäßverschlüssen im Gehirn seit einigen Jahren möglich ist, liegt ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung daher in der Förderung von Regeneration und Wiederaufbau geschädigten Gewebes.
Hoffnung auf eine solche Therapie gibt die Beobachtung, dass nach Schädigung von Hirnarealen neuronale Progenitorzellen aktiviert werden, welche sich zu ausdifferenzierten neuronalen Zellen weiterentwickeln. Dies wirkt sich neuroprotektiv und wachstumsstimulierend auf die geschädigten Hirnareale aus. Die Idee liegt daher nahe, durch Gabe von Stammzellen die zerstörten Zellen zu ersetzen. Verschiedenste Stammzellpopulationen (Neuronale, Mesenchymale, aus Teratomen gewonnene etc.) wurden bislang getestet und Parameter wie ihr Überleben, ihre Differenzierung oder ihr Einfluss auf das funktionelle Defizit untersucht.
Frühe Ergebnisse aus der Forschung zeigen, dass bei mit Stammzellen behandelten Tieren eine deutlich verbesserte Wiederherstellung der motorischen Fähigkeiten erreicht werden konnte. Auch konnte eine verstärkte Zellproliferation in den Hirnen der Tiere beobachtet werden. Diese ersten Daten lassen vermuten, dass Stammzellen in der Lage sind, eine Regeneration von geschädigtem Gewebe anzuregen.
Zelltracking mittels MRT
Bislang konnte man vor allem mithilfe histologischer Techniken unter dem Mikroskop das Schicksal und die Lokalisation von Stammzellen untersuchen. Durch die kontinuierliche Verbesserung bildgebender Verfahren, insbesondere der Magnetresonanztomographie (MRT) mit Hochfeld-Spulen, ist eine erstaunliche Auflösung von Hirnstrukturen erreicht worden, was mittlerweile auch eine Darstellung von Zellpopulationen in vivo, d.h. im lebenden Organismus, erlaubt.
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Um das Migrationsverhalten, also die Bewegung von Stammzellen nach ihrer Injektion studieren zu können, benötigt man ein Beobachtungsverfahren welches weder für die Zellen, noch für den Organismus, in welchen die Zellen eingebracht werden, toxisch ist. Die Lösung ist die Markierung der Zellen mit einem speziell für das MRT hergestellten nicht-toxischen Kontrastmittel, welche entweder aus Gadolinium-Chelate oder Eisenoxidpartikeln bestehen. Diese führen durch ihre paramagnetischen Eigenschaften zu einer Verkürzung der Relaxationszeit d.h. der Wiederausrichtung des Kernspins der Atome entlang des von außen angelegten Magnetfelds nach dem Ende des Hochfrequenzimpulses. Dadurch lassen sich mit diesen Kontrastmitteln markierte Zellen optisch leicht vom umliegenden Hirngewebe abgrenzen.
Der Nachteil von früher verwendeten MRT Kontrastmitteln liegt in ihrer relativ großen Partikelgröße von bis zu 60 nm im Durchmesser. Seit wenigen Jahren verwenden wir ein neuartiges Kontrastmittel, welches im Gegensatz zu den früher verwendeten Eisenoxidpartikeln der neuesten Generation mit Partikelgrößen von nur 4-9 nm besonders geeignet für die schonende Markierung von Zellen ist. Hiermit ist es möglich, sehr sensitiv verschiedene Zellzahlen mittels MRT-Bildgebung nachzuweisen.
Nach der Applikation lassen sich die Stammzellen histologisch zum einen aufgrund ihres menschlichen Ursprungs mithilfe von humanen Markern und zum anderen auch anhand des Eisengehaltes des Kontrastmittels mittels der Berliner-Blau-Färbung nachweisen.
Matrix Metalloproteinasen und Schlaganfall
Matrix Metalloproteinasen (MMPs) gehören zu der Familie der Zink-Endopeptidasen und sind unter anderem an der Spaltung nahezu aller Komponenten der extrazellulären Matrix (EZM) beteiligt. Bei akuten Schlaganfällen sind sie sowohl an dem unmittelbar folgendem Zusammenbruch der Bluthirn-Schranke in wesentlichem Maße beteiligt, als auch bei den sich anschließenden regenerativen Vorgängen wie Angiogenese, Synaptogenese etc. MMP-vermittelt kommt es zu vaskulärer Ödembildung und Infiltration des Infarktareals durch neutrophile Granulozyten und Makrophagen.
In den ersten Stunden handelt es sich um eine hauptsächlich MMP-2 vermittelte Sofortreaktion mit Ödembildung und möglicher sekundärer Hämorrhagie, begleitet von einem Anstieg von TIMP-2. Nach 24 - 48 Stunden wird eine zweite, noch ausgeprägtere Störung der Blut-Hirn-Schranke verzeichnet, zeitgleich mit einem deutlichen Anstieg der MMP-9 Konzentration im Plasma.
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Gefördert durch das Nationale Genom Forschungsnetzwerk (NGFN) und das European Stroke Network wurden der Metalloproteinase-Stoffwechsel beim Schlaganfall in vitro mittels humaner Endothelzelllinien und in vivo mittels klinischer Beobachtungsstudien untersucht.
Molekularbiologische Mechanismen der zerebralen Amyloidangiopathie
Die beiden häufigsten Ursachen von Demenz sind vaskuläre Erkrankungen des Gehirns (z. B. Schlaganfall) und Morbus Alzheimer. Zunehmend wird erkannt, dass diese Veränderungen nicht unabhängig voneinander, sondern parallel stattfinden.
Ein aktueller Forschungsschwerpunkt ist die mit vaskulärer Demenz und M. Alzheimer oftmals assoziierten Zerebralen Amyloidangiopathie (CAA), eine Erkrankung des Gefäßsystems. Die Prävalenz der CAA beträgt in der älteren Bevölkerung nach pathologischen Studien 20-40% bei nicht an Demenz Erkrankten und 50-60% bei Patienten mit Demenz. Wie bei M. Alzheimer kommt es bei der CAA zu einer gehäuften Ablagerung des Proteins Amyloid β zwischen den Nervenzellen oder innerhalb der Gefäßwand. Dies führt zu einer Einschränkung der Hirnfunktion sowie der Funktion hirnversorgender Gefäße.
Eine der wenigen Mausmodelle, die die Pathologien der CAA widerspiegeln, ist die transgene Maus vom Stamm APP23, welcher auch für die Erforschung der CAA verwendet wird. Die Mutation, welche die APP23 Maus trägt, führt zu einer stark vermehrten Ablagerung von Amyloid β, wobei sowohl die für M. Alzheimer typischen parenchymatösen Amyloid β-Plaques als auch ein erhöhter CAA typischer vaskulärer Befall zu beobachten ist. Dieser nimmt vergleichbar zur humanen Situation mit dem Alter zu.
Obwohl schon in histopathologischen Studien in den 70er und 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts vermehrt die Rolle der CAA beschrieben wurde, erlebte sie in den letzten Jahren ein gesteigertes Interesse in der Forschung, u.a. auch aufgrund von verbesserten Bildgebungsverfahren, welche neben dem MRT auch die Positronen-Emissionstomographie (PET) einschließen. Mithilfe dieses Verfahrens wird es möglich sein, die Entwicklung des Amyloid-Befalls nach therapeutischer Behandlung in vivo mithilfe von Radiotracern wie 18F-Flutemetanol zu verfolgen.
Vor allem bei CAA-Patienten mit krankheitsbedingtem erhöhtem Blutungsrisiko wird die Lysetherapie mit ihren bekannten Nebenwirkungen bis jetzt nicht infrage gestellt. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung unter Zuhilfenahme des CAA-Mausmodells liegt daher in der besseren Einschätzung des Risikos von ICH nach Schlaganfall und einer Thrombolysetherapie. Erste Ergebnisse lassen hierbei vermuten dass der APP23-Genotyp mit einem erhöhten Risiko für ICH nach Lysetherapie einhergeht, wodurch man auch Rückschlüsse auf das…
MRT zur Visualisierung von Neuroinflammation
Die Neuroinflammation ist eine der wichtigsten funktionellen Veränderungen und wird sehr häufig behandelt. Bisher lässt sie sich bei Krankheiten wie LongCOVID, CFS/ME, Fibromyalgie und psychiatrischen Erkrankungen allerdings nur klinisch per Symptomatik feststellen. Forscher des UMH-CSIC Neurosciences Institute haben eine innovative Strategie entwickelt, die es erstmals ermöglicht, Gehirnentzündungen mit Hilfe der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomographie (dw-MRT) detailliert und in vivo sichtbar zu machen.
Diese detaillierte “Röntgenaufnahme” von Entzündungen kann mit herkömmlicher MRT nicht erzielt werden, sondern erfordert spezielle Sequenzen der Datenerfassung und mathematische Modelle. Degenerative Gehirnerkrankungen wie Alzheimer und andere Demenzen, Parkinson oder Multiple Sklerose sind ein drängendes und schwieriges Problem.
Es wird zum ersten Mal gezeigt, dass das Signal dieses Typs der MRT (dw-MRT) die Aktivierung von Mikroglia und Astrozyten nachweisen kann, wobei spezifische Merkmale für jede Zellpopulation festgestellt wurden. Sie haben auch gezeigt, dass diese Technik empfindlich und spezifisch genug ist, um Entzündungen mit und ohne Neurodegeneration zu erkennen, so dass beide Zustände unterschieden werden können.
Silvia de Santis sagt, dass diese Arbeit auch den translationalen Wert des verwendeten Ansatzes an einer Kohorte gesunder Menschen mit hoher Auflösung zeigt, “bei der wir eine Reproduzierbarkeitsanalyse durchgeführt haben. Der signifikante Zusammenhang mit bekannten Mikroglia-Dichte-Mustern im menschlichen Gehirn unterstützt die Nützlichkeit der Methode zur Generierung zuverlässiger Biomarker für Gliazellen.
Um das Modell zu validieren, verwendeten die Forscher ein etabliertes Paradigma der Entzündung bei Ratten, das auf der intrazerebralen Verabreichung von Lipopolysaccharid (LPS) basierte. In diesem Paradigma wurden neuronale Vitalität und Morphologie erhalten, während zunächst eine Aktivierung von Mikroglia (den Immunzellen des Gehirns) und verspätet eine Astrozytenreaktion induziert wurde. Um den Abdruck der Astrozytenaktivierung zu isolieren, wiederholten die Forscher das Experiment, indem sie die Tiere mit einem Inhibitor vorbehandelten, der vorübergehend etwa 90% der Mikroglia beseitigte. Anschließend testeten sie mit einem etablierten Paradigma der neuronalen Schädigung, ob das Modell in der Lage war, die “Fußabdrücke” der Neuroinflammation mit und ohne begleitende Neurodegeneration zu entwirren.
Die Studie zeigt, dass die diffusionsgewichtete MRT eine nicht-invasive und differenzielle Erkennung der Aktivierung von Mikroglia und Astrozyten ermöglichen kann, zwei Arten von Gehirnzellen, die der Neuroinflammation und ihrer Entwicklung zugrunde liegen.
KI-beschleunigte MRT in der Schlaganfalldiagnostik
In Deutschland erleiden täglich rund 550 Menschen einen Schlaganfall. Bei der häufigsten Form des Schlaganfalls, dem ischämischen Hirninfarkt, blockiert ein Blutpfropf ein arterielles Gefäß, so dass das Gehirn nicht ausreichend mit Blut versorgt wird. Das bisher schnellste Verfahren, um einen akuten Schlaganfall zu diagnostizieren, ist die Computertomographie (CT). Mit der Magnetresonanz-Tomographie (MRT) lassen sich dagegen auch kleinste ischämische Infarkte erkennen. Allerdings benötigt die MRT relativ lange Aufnahmezeiten, was ihre Anwendung in Notfallsituationen einschränkt.
Die sogenannte Deep Learning-Technik ist eine noch relativ neue Technik in der medizinischen Versorgung. Die KI ermöglicht, dass MRT-Bilder parallel zur Aufnahme verarbeitet werden können und ist so trainiert, dass sie die aufgenommenen Bilder künstlich verbessern kann. Dadurch konnten die MRT-Bilder ultraschnell und in hoher Qualität rekonstruieren und die Zeit zwischen Untersuchungsbeginn und Befund um rund 78 Prozent reduzieren.
In einer prospektiven Studie hat ein Forschungsteam 211 Patient:innen mit Verdacht auf einen akuten ischämischen Schlaganfall mit der konventionellen MRT sowie der neuen KI-beschleunigten MRT untersucht. Insgesamt benötigte die konventionelle MRT eine Untersuchungszeit von rund 14 Minuten. Die Deep Learning-gestützte MRT lieferte verglichen mit der konventionellen Methode insgesamt eine bessere Bildqualität. Beide Methoden zeigten eine gute bis ausgezeichnete Zuverlässigkeit, um einen akuten ischämischen Infarkt zu diagnostizieren. Bei 79 Teilnehmenden konnte ein akuter ischämischer Schlaganfall festgestellt werden.
Der unterstützende Einsatz innovativer KI beim MRT hat das Potential, die Notfalldiagnostik, insbesondere bei leicht betroffenen Patienten mit Schlaganfall-Verdacht, zu revolutionieren. Es wird nicht nur der Diagnoseprozess beschleunigt, sondern verglichen mit der CT gleichzeitig auch eine Strahlenexposition vermieden. Im nächsten Schritt wollen die KI-gestützte MRT sukzessive in die klinische Routine implementieren.
Funktionelle Kernspintomographie
Etwa ein Dutzend deutsche Unikliniken haben jetzt das bisher spektakulärste Hirndurchleuchtungsinstrument in Betrieb genommen. Sein sperriger Name: »funktioneller Kernspintomograph«. Vor allem vor Tumoroperationen werden die neuartigen Tomographen eingesetzt. In welche Hirnregionen ist die Geschwulst eingewuchert? Hat sie das Sprachzentrum oder motorische Zentren infiltriert? Haben Nervenzellen anderer Areale diese Funktionen bereits übernommen? Selbst das Rätsel, wo im Hirn Halluzinationen entstehen, ließe sich mit dem neuen Gerät möglicherweise lösen. Schon heute hilft es bei Patienten mit arteriellen Verschlüssen: Auf den Bildern des funktionellen Kernspintomographen läßt sich frühzeitig erkennen, ob die Mangeldurchblutung die Gefahr eines Schlaganfalls birgt.
Das meiste Wissen über das Hirn stammt aus den letzten 30 Jahren. Bis Anfang der siebziger Jahre blieb das Denkorgan eine Art Blackbox. Erst die Computer- und, wenig später, die Kernspintomographen öffneten das erste Fenster ins lebende Hirn. Sie erzeugten Bilder, auf denen sich Klein-, Groß- und Stammhirn deutlich voneinander abhoben; Tumoren waren als helle Flecken zu erkennen.
Mit der funktionellen Kernspintomographie besitzen Mediziner und Neurobiologen jetzt einen weiteren Horchposten, um den Schaltprozessen im Gehirn auf die Schliche zu kommen. Sie machen sich dabei zunutze, daß aktive Hirnregionen mehr Energie benötigen als untätig dahindämmernde graue Zellen. Sauerstoffreiches Blut fließt deshalb verstärkt in die arbeitenden Hirnareale.
Im Vergleich zur PET ist die 1991 von den US-Forschern Ken Kwong und Jack Belliveau entwickelte neuere Durchleuchtungstechnik ungleich schneller und zielgenauer. Die räumliche Auflösung der PET beträgt drei Millimeter, die zeitliche etwa eine Minute - für Prozesse im Gehirn, die sich in kürzeren Zeiträumen abspielen, taugt die Methode nicht. Die funktionelle Kernspintomographie kann dagegen bis zu einen Millimeter kleine Hirnsegmente unterscheiden und nur vier Sekunden dauernde Neuronentätigkeiten wahrnehmen.
Unter Neurowissenschaftlern gelten die neuartigen Tomographen hingegen schon seit längerem als Werkzeug von hohem Rang. Mit ihrer Hilfe konnten sie die Landkarte des menschlichen Gehirns wesentlich verfeinern. Demnächst wollen sie der Wirkung von Drogen und dem kleinen Unterschied von Mann und Frau im Oberstübchen mit Hilfe des revolutionären Verfahren auf die Spur kommen. Auch die Behandlung von Schizophrenie und Depressionen könnten die »Brainmapper« auf verläßlicheren Boden stellen.
Immer stärkere magnetische Felder werden die Trennschärfe der Gehirnspäher noch steigern. Bisher schoben die Forscher ihre Probanden meist in Felder mit Feldstärken zwischen 1,5 und 3 Tesla. Gegenwärtig aber laufen erste Tests mit einem 7-Tesla-Gerät. Durch die Kombination des Verfahrens mit schnelleren Methoden, wie beispielsweise der Elektroenzephalographie (EEG), hoffen die Wissenschaftler diese Reaktionslücke zu schließen. Millisekundenprotokolle der Neuronengespräche werden durch die Kombination mehrerer bildgebender Verfahren dereinst möglich sein.
Gadofluorine M zur Darstellung von Nervenregeneration
Wird zum Beispiel im Bereich des Beckens ein Nerv verletzt, der den Unterschenkelmuskel versorgt, dann kann es Jahre dauern, bis eine Besserung eintritt. Hinzu kommt, dass die Ärzte in dieser Zeit mit anderen Methoden nicht ausreichend sicher beurteilen können, ob der Nerv wirklich nachwächst oder ob er durch ein Auseinanderklaffen seiner Enden im Wachstum behindert wird. Diese Unsicherheit wollen die Wissenschaftler von der Abteilung für Neuroradiologie und der Neurologischen Klinik der Uni Würzburg beseitigen. (MRT) konnten sie erstmal experimentell im lebenden Organismus dem Nachwachsen geschädigter Nerven zusehen.
Möglich wurde dieser Fortschritt durch das neuartige Kontrastmittel Gadofluorine M der Schering AG (Berlin). Wird das Mittel intravenös verabreicht, dann sammelt es sich ausschließlich in geschädigten Nervenabschnitten an und lässt diese in den MRT-Bildern weiß aufleuchten. Verharren sie aber im Zustand der Schädigung, weil die Enden der Nervenfasern auseinanderklaffen und darum keine Orientierung mehr haben, so bleibt das Kontrastmittel über lange Zeit im Nerv erhalten.
Biomarker für zerebrale Ischämien
Die Forschergruppe berichtet in ihrer Studie von einer hochauflösenden Hirnscan-Methode, die auf Basis sich verändernder Kalzium-Ion-Konzentrationen das Vorliegen und den Verlauf eines Schlaganfalls nachweisen kann. Für die Visualisierung wird ein eigens entwickelter Biomarker verwendet, mit dem sich die Veränderungen von Kalzium-Konzentrationen im Hirngewebe abbilden lassen. Kalzium-Ion-Konzentrationen verändern sich je nach Aktivität der Nervenzellen.
Gewöhnliche Hirnscan-Methoden für die Diagnose zerebraler Ischämien beruhen auf Ultraschall oder Computertomographie. Allerdings sind diese medizinischen Verfahren für eine Früherkennung nicht empfindlich genug. Dieser Ansatz wird als wichtiger Schritt zur Entwicklung verlässlicher und präziser Diagnoseverfahren gesehen, die frühzeitigere Aussagen über Fehlfunktionen im Gehirn ermöglichen. Kalzium ist ein zentraler Botenstoff von Hirnzellen.
Aufgrund des raschen Verlaufs einer Ischämie, erlaubt diese Methode die Erkennung möglicher Komplikationen deutlich früher und genauer als bisher. Zugleich entstehen Fehler bei der Herstellung von Adenosin-Triphosphat, einem zentralen Energieträger für die Zellen. Umgehende Maßnahmen der Durchblutungsförderung sind für die Gesundung bzw. Erhaltung geschädigten Hirngewebes sehr wichtig.
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