Parkinson ist eine fortschreitende neurologische Erkrankung, die durch den Verlust dopaminproduzierender Nervenzellen im Gehirn gekennzeichnet ist. Die frühzeitige Diagnose von Parkinson ist entscheidend, um rechtzeitig mit der Behandlung beginnen und den Krankheitsverlauf positiv beeinflussen zu können. Die Magnetresonanztomographie (MRT) spielt eine zunehmend wichtige Rolle bei der Erkennung und Überwachung von Parkinson.
Einführung in Parkinson und seine Herausforderungen
Unsere Gesellschaft altert, und neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson sind auf dem Vormarsch. Weltweit sind 6,1 Millionen Menschen von der Parkinson-Erkrankung betroffen, in Deutschland allein gibt es etwa 400.000 Parkinson-Patienten. Aktuell ist Parkinson nicht heilbar, lediglich Symptome der Krankheit können medikamentös gelindert werden. Diese Symptomlinderung nimmt im Verlauf der Krankheit ab. Ein zentrales Hindernis zu einer heilenden Intervention ist die relativ späte Diagnose. Derzeit wird Parkinson erst zehn Jahre nach Beginn dieses Verlusts dopaminerger Neurone diagnostiziert. Zu diesem Zeitpunkt ist etwa die Hälfte dieser Neurone bereits unwiederbringlich verloren. Daher wäre eine frühere Diagnose ein vielversprechender Schritt, um möglicherweise heilende Interventionen optimal und früh genug einsetzen zu können.
Das zentrale Merkmal von Parkinson ist das Absterben von wichtigen Nervenzellen (Neuronen) in einer kleinen Region im Mittelhirn, der Substantia nigra. Diese Nervenzellen produzieren den Botenstoff Dopamin, der viele Hirnprozesse reguliert. Diese sogenannten dopaminergen Neurone sterben bei Parkinsonpatienten in großer Zahl ab, besonders in der Unterregion Nigrosom 1 in der Substantia nigra. Der resultierende Dopaminmangel verursacht unter anderem die schwerwiegenden motorischen Parkinsonsymptome wie das typische Zittern. Die dopaminergen Neuronen enthalten Eisen in relativ hoher Konzentration, was vermutlich ihr Absterben begünstigt.
MRT als vielversprechende Technik zur Früherkennung
Eine frühere Parkinsondiagnose wäre möglich, wenn man das Absterben dopaminerger Neurone beim lebenden Menschen detektieren könnte. Der hohe Eisengehalt und damit starke Magnetismus der dopaminergen Neurone macht Magnetresonanztomographie (MRT) zu einer vielversprechender Technik, um diese Neurone zu vermessen.
MRT-Mikroskopie eisenreicher Neurone
MRT kann beim lebenden Menschen keine einzelnen Zellen auflösen, da die Auflösung viel zu gering ist. In einem MRT-Bildpunkt mit der höchsten derzeit möglichen Auflösung befinden sich über 1.000 Neurone. Trotz dieser hohen Zahl machen die dopaminergen Neurone lediglich 5 % des Gewebes aus. Daher ist es nicht ohne Weiteres möglich, diese Neurone zu vermessen.
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Um dennoch Informationen über die dopaminergen Neurone aus dem MRT-Signal zu gewinnen, wurde ein biophysikalisches Modell entwickelt. Basierend auf grundlegenden physikalischen Gleichungen beschreibt dieses Modell den Beitrag verschiedener Zellen zum MRT-Signal, quasi als Brücke zwischen MRT-Aufnahmen und den viel kleineren Zellen. Dieses Modell mündet in eine Formel, die Dichte und Eisenkonzentration von dopaminergen Neuronen aus dem MRT-Signal vorhersagt. Dies ist ein entscheidender Schritt, um das Absterben der Neurone bei Parkinson zu erkennen.
Unerwartet hoher Magnetismus eisenreicher Neurone
Es wurde herausgefunden, dass eisenreiche dopaminerge Neurone deutlich stärkeren Magnetismus aufweisen als andere eisenreiche Zellen. Das erklärt den unerwartet hohen Einfluss der Neurone auf das MRT-Signal - ein glücklicher Umstand, der ihre Vermessung mit klinischer MRT erst ermöglicht.
Die Rolle der Substantia nigra und des Nigrosom 1
Die Region Nigrosom 1 in der Substantia nigra, wo das Neuronensterben bei Parkinson am frühesten beginnt, ist der vielversprechendste Einsatzort unseres MRT-Neuronenmikroskops. Glücklicherweise gibt es ein sehr bekanntes radiologisches Zeichen, das Nigrosom 1 entsprechen soll: das Schwalbenschwanz-Zeichen. Dieses Zeichen in MRT-Aufnahmen verschwindet bei Parkinson und wird daher zur Diagnose verwendet. Allerdings steht der MRT-Kontrast des Schwalbenschwanz-Zeichens im Widerspruch zur Vorhersage unseres biophysikalischen Modells: Wir würden erwarten, dass Nigrosom 1 im MRT-Bild dunkel erscheint, wohingegen sich das Schwalbenschwanz-Zeichen hell abzeichnet.
Der Nigrosomatlas und die Korrektur radiologischen Wissens
Um diesen Widerspruch aufzulösen, haben wir die Nigrosome präzise in 3D kartografiert und damit einen Nigrosomatlas erstellt. Dieser Atlas hat es ermöglicht zu zeigen, dass Nigrosom 1 nur teilweise im Schwalbenschwanz-Zeichen liegt, aber nicht mit diesem identisch ist. Das Lehrbuchwissen über die klinische Interpretation des Schwalbenschwanz-Zeichens muss daher revidiert werden: Sein Verschwinden bedeutet nicht den Verlust von Nigrosom 1.
MRT-Techniken zur Erkennung von Parkinson
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine nicht-invasive Methode, Organe, Gewebe und das Skelett-System zu untersuchen. Ein MRT ist somit ein wichtiges bildgebendes Verfahren, um Ursachen für Erkrankungen des Herzens, des Gehirns und des Skelett-Systems zu untersuchen.
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Strukturelle Bildgebung
Im Rahmen der strukturellen Bildgebung mittels MRT liegt der Fokus auf der anatomischen Darstellung des Gehirns, um Veränderungen zu erkennen, die durch neurodegenerative Erkrankungen hervorgerufen werden. Sie ist damit ein essenzieller Bestandteil der Diagnostik und erlaubt eine objektive Beurteilung pathologischer Muster. Die Radiologie wendet in diesem Zusammenhang Untersuchungsmethoden an, mit denen sich beispielsweise die pathologischen Volumenänderungen bestimmter Gehirnregionen präzise darstellen und beurteilen lassen.
Die Volumetrie wird in der Analyse neurodegenerativer Erkrankungen auf verschiedene Weise eingesetzt: Sie kann entweder als Voxel-basierte Morphometrie (VBM, Methode zur Analyse von Volumenänderungen im gesamten Gehirn) oder als Region-of-Interest-Analyse (ROI, Fokus auf spezifische Gehirnbereiche) durchgeführt werden. Besonders bei neurodegenerativen Erkrankungen ermöglicht sie die Darstellung lokal begrenzter, klinisch relevanter Volumenveränderungen.
Funktionelle Bildgebung
Mithilfe der funktionellen MRT-Bildgebung lässt sich die Aktivität des Gehirns sichtbar machen. Auf diese Weise kann die Medizin krankheitsspezifische Veränderungen innerhalb der neuronalen Netzwerke erkennen und analysieren.
Dank der funktionellen MRT ist es möglich, Veränderungen des Blutflusses im Gehirn über das BOLD-Signal (Blood Oxygenation Level Dependent) zu erkennen. Bei dieser Methode wird der Umstand genutzt, dass eine Steigerung des Blutflusses in aktivierten Hirnarealen einen erhöhten Sauerstoffgehalt nach sich zieht. Dieser kann wiederum mithilfe der fMRT-Scans erfasst werden.
Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI)
Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) ist eine spezielle Form der diffusionsgewichteten MRT und bestimmt die Diffusion von Wassermolekülen im Gewebe. Mit deren Hilfe lassen sich detaillierte Informationen zur Integrität der weißen Substanz gewinnen.
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MRT bei Parkinson
Bei Parkinson kommt es zu Degenerationen im Bereich der Substantia nigra (SN). Zudem sind Veränderungen im Eisengehalt in den untersuchten Regionen zu erkennen. Mit hohen Feldstärken und T2-gewichteten MRT-Bildern lassen sich die relevanten Hirnareale auflösen. Zudem sind nigrosomale Signalverluste (Nigrosome sind kleine Cluster dopaminerger Zellen) bei Parkinson zu erkennen. Die neurodegenerativen Prozesse betreffen die dopaminergen Neuronen, was über alle Nigrosome (1 bis 5) zu beobachten ist, aber besonders deutlich im Nigrosom-1-Bereich wird. Mit der Diffusions-Tensor-Bildgebung lassen sich weitere Veränderungen erkennen, die unter anderem den Corpus callosum und Frontallappen sowie die SN betreffen.
Fortschritte in der MRT-Technologie
Mit der Verbesserung der MRT erreicht die Radiologie eine zunehmend bessere Auflösung bei der Bildgebung und kann Strukturen immer feiner darstellen. Damit werden anatomische Anomalien sichtbar, die bisher in den Aufnahmen nicht klar zu erkennen waren, unter anderem durch den Einsatz von Hochfeld-MRT-Techniken. Aber auch die Kombination verschiedener Methoden im Rahmen einer multimodalen Bildgebung und der Einsatz neuer Auswertungstechniken - Stichwort künstliche Intelligenz (KI) in der Radiologie - verbessern die Qualität der Ergebnisse.
Hochfeld-MRT-Techniken
Der Einsatz von Hochfeld-MRT-Techniken hat für die Darstellung und Auswertung der Aufnahmen im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen gleich mehrere Vorteile. Da die Auflösung mit der Feldstärke korreliert, führt eine Anpassung der Feldstärke zu einer verbesserten räumlichen Auflösung. Dadurch wird eine deutlich feinere Darstellung der Gehirnstrukturen ermöglicht, was die frühzeitige Erkennung von Pathologien begünstigt.
Multimodale Bildgebung
Eine wichtiger Schritt in der Diagnose neurodegenerativer Erkrankung ist der Einsatz multimodaler Bildgebungsverfahren. Hierbei werden parallel zur MRT weitere Methoden wie die Computertomographie (CT) oder die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt. Diese sind in der Lage, Veränderungen beispielsweise über die Darstellung des Stoffwechsels zu identifizieren.
KI und Machine Learning in der MRT-Analyse
KI wird auch in der Medizin zunehmend wichtiger. Im Rahmen der Diagnose neurodegenerativer Erkrankungen übernimmt KI natürlich immer noch keine Verantwortung hinsichtlich der Diagnosestellung. Die datengestützte Erfassung der MRT-Aufnahmen bietet aber beispielsweise in der Verlaufskontrolle Potenzial, um Veränderungen schneller zu erkennen.
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