Tiefer in menschliches Gehirn hineinblicken
Das menschliche Gehirn in Gesundheit und Krankheit zu verstehen, stellt nach wie vor eine der großen wissenschaftlichen Herausforderungen des einundzwanzigsten Jahrhunderts mit tiefgreifenden medizinischen, gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Auswirkungen dar. Die Magnetresonanztomografie (MRT) ist zu einem Eckpfeiler dieser Bemühungen geworden, da mit ihr Anatomie, Funktion und Konnektivität des Gehirns nichtinvasiv abbildbar ist. Um feinere Details zu erkennen, benötigt die Forschung jedoch stärkere Magnetfelder und empfindlichere Kernspintomografen als die 1,5-Tesla-Systeme, die gegenwärtig in den meisten Krankenhäusern im Einsatz sind. Diese Zielsetzung mündete in der Erschaffung des Iseult-Scanners(öffnet in neuem Fenster), eines Ultrahochfeld-MRT-Systems, das in Frankreich entwickelt wurde. Es arbeitet bei 11,7 Tesla und dient der Untersuchung des menschlichen Gehirns in noch nie dagewesenem Umfang.
Die Ermittlungen einleiten
Das EU-finanzierte Projekt AROMA(öffnet in neuem Fenster) vereinte sechs Partner aus fünf Ländern aus akademischen Bereichen und der Industrie, um Studien am menschlichen Gehirn mit dem 11,7-Tesla-Iseult-Kernspintomografen durchzuführen. Höhere Magnetfeldstärken erzeugen stärkere Signale, die gegen eine feinere räumliche oder zeitliche Auflösung eingetauscht werden können. „Der 11,7-Tesla-Kernspintomograf ist in seiner Wirkung als nichtinvasives Mikroskop konzipiert, das ein einzigartiges Fenster zu Struktur und Funktion des Gehirns eröffnet“, erklärt Projektkoordinator Nicolas Boulant. Die Forschungsgruppe konnte anatomische Bilder in Größenordnungen erstellen, die bis zur Mesoskala der Hirnorganisation(öffnet in neuem Fenster) reichen, wodurch kleinere anatomische Merkmale sichtbar wurden. Der Gewinn liegt dabei nicht nur im Detail, sondern auch in der Geschwindigkeit. Ein Scan, der bei 11,7 Tesla etwas länger als vier Minuten dauert, würde bei niedrigeren Feldstärken dramatisch längere Aufnahmezeiten erfordern, um eine vergleichbare Bildqualität zu erzielen.
Technische Herausforderungen meistern
Der Betrieb bei einer derart extremen Feldstärke brachte erhebliche technische Hindernisse mit sich. Die Hochfrequenzspulen mussten Wassermoleküle auf effiziente Weise anregen und Signale empfangen, um das Potenzial des Scanners auszunutzen. Auch mechanische Schwingungen und Wechselwirkungen zwischen den Komponenten beeinträchtigten die Bildqualität. Ein weiteres Problem waren Bewegungen während des Scannens, insbesondere bei ultrahoher Auflösung. Zu diesem Zweck hat das AROMA-Konsortium fortgeschrittene Bewegungskorrekturmethoden(öffnet in neuem Fenster) entwickelt, dank derer die Erfolgsquoten erheblich verbessert wurden. Um die Durchführbarkeit der Bildgebung beim Menschen bei 11,7 Tesla zu überprüfen, wurden zwanzig Freiwillige untersucht, ohne dass über unerwünschte Wirkungen berichtet wurde.
Neue Wege in den Neurowissenschaften
Dank dieser Instrumente kann mit dem Scanner begonnen werden, funktionelle MRT-Studien einschließlich Experimenten zur Auflösung der Aktivität in den Tiefen der Großhirnrinde zu unterstützen. Auf diese Weise könnte besser erforscht werden, wie Informationsverarbeitung in den verschiedenen Kortexschichten funktioniert. „Die erzeugten Bilder haben die neurowissenschaftliche Gemeinschaft inspiriert und zeigen, dass die mesoskalige Welt des menschlichen Gehirns zum Greifen nah ist“, betont Boulant. Mögliche Anwendungen betreffen außerdem neurodegenerative und psychiatrische Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit, die Parkinson-Krankheit, multiple Sklerose, Schizophrenie und Depressionen. Die Forschungsgruppe hofft, dass mithilfe der zusätzlichen Empfindlichkeit subtile biologische Veränderungen aufgedeckt werden können, die bei niedrigeren Feldstärken unsichtbar bleiben. Es ist vorgesehen, dass die Plattform auch der externen Nutzung offen steht, obwohl noch weitere Arbeiten erforderlich sind, um das Portfolio der sicher und effizient einsetzbaren MRT-Sequenzen zu erweitern. „AROMA war ein Pionierprojekt, in dessen Verlauf viele Hindernisse beim Scannen mit 11,7 Tesla überwunden wurden. Die nächste Herausforderung besteht darin, diesen technischen Erfolg in klinisch nützliche Entdeckungen umzusetzen“, bekräftigt Boulant abschließend.