4 fantastische Techniken zur Bildgebung des Gehirns
Die Hirnforschung hat in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, und unser Verständnis des Gehirns hat sich, obwohl es noch lange nicht vollständig ist, enorm erweitert. Diese Fortschritte wurden dank der verschiedenen bildgebenden Verfahren des Gehirns möglich, die im letzten Jahrhundert entdeckt wurden. In diesem Beitrag gehen wir auf die vier wichtigsten dieser Techniken ein
Elektroenzephalographie (EEG)
Das EEG könnte als Vater der Neuroimaging-Techniken angesehen werden, da es die erste Technik zur Messung der (elektrischen) Aktivität des lebenden Gehirns ist. Hans Berger zeichnete das erste EEG eines Menschen im Jahr 1924 auf. Seitdem haben sich die EEG-Geräte stark weiterentwickelt und sind zuverlässiger, tragbarer, mit mehr Elektroden ausgestattet und sogar kabellos. Auch die EEG-Interpretations- und Datenanalysetechniken haben sich stark weiterentwickelt. Es wurden komplexe EEG-Datenanalysetechniken entwickelt (einen kurzen Überblick finden Sie hier), wie die so genannte EEG-Tomographie. Mit dieser Technik können wir eine 3D-Karte des Gehirninneren erstellen, indem wir einfach die elektrischen Potenziale in der Kopfhaut des Gehirns messen.
EEG ist billig, nicht invasiv, relativ einfach einzurichten und die zeitliche Auflösung ist hervorragend: bis zu weniger als 1 ms oder, mit anderen Worten, weniger als die Zeit, die für ein Aktionspotenzial benötigt wird. Andererseits ist die räumliche Auflösung des EEG höher als bei anderen bildgebenden Verfahren des Gehirns (etwa 1-2 cm).
Magnetresonanztomographie (MRT)
Sie ist der Heilige Gral der bildgebenden Verfahren des Gehirns und der medizinischen Bildgebung im Allgemeinen. Die MRT ist eine relativ neue Technik (das erste MRT-Bild wurde 1973 veröffentlicht). Paul Lauterbur und Peter Mansfield, Pioniere der MRT-Technik, erhielten 2003 den Nobelpreis für Medizin. Kurz gesagt, werden bei der MRT starke Magnetfelder und elektromagnetische Impulse verwendet, um Protonen anzuregen, die dann ein Photon erzeugen, bevor sie wieder in ihren normalen Zustand zurückfallen. Diese Photonen werden dann von der MRT gemessen, und es kann eine Karte eines lebenden Gewebes erstellt werden. Die MRT hat eine hohe räumliche Auflösung (2 bis 3 mm), weshalb sie sich sowohl für die Forschung als auch für klinische Anwendungen sehr gut eignet. Der Nachteil ist die recht geringe zeitliche Auflösung (mehr als 1 Sekunde). Außerdem sind MRT-Geräte sehr teuer, sperrig und daher nicht tragbar und für den Einsatz außerhalb des Labors ungeeignet.
Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS)
Hierbei handelt es sich um eine relativ neue Technik: medizinische und physiologische Anwendungen wurden erst in den letzten Jahrzehnten entwickelt. Die Idee besteht darin, eine NIR-Lichtquelle an der Kopfhaut und einen NIR-Lichtdetektor anzubringen. Auf diese Weise kann die Transmissions- und Absorptionsrate des NIR-Lichts im menschlichen Gewebe ermittelt werden, die Informationen über die Veränderungen der Hämoglobinkonzentration enthält. Wenn ein bestimmter Bereich des Gehirns aktiv ist, steigt sein Sauerstoffbedarf und somit auch die Hämoglobinkonzentration. NIRS kann nur Informationen aus dem kortikalen Gewebe gewinnen, da das NIR-Licht in tieferen Regionen des Gehirns vollständig absorbiert wird. Außerdem ist die zeitliche Auflösung der NIRS ähnlich wie die der MRT, da wir ähnliche Informationen erhalten, nämlich Veränderungen des Blutflusses. Die Vorteile der NIRS sind die Tragbarkeit, die einfache Anwendung und die geringen Kosten. Aus diesen Gründen wurde NIRS in vielen Brain Computer Interface (BCI)-Anwendungen eingesetzt.
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
Dies ist eine sehr coole Technik, bei der mehrere physikalische Konzepte angewandt werden, um Informationen aus dem Gehirn zu gewinnen: von der Teilchenphysik bis zur Quantenphysik. Kurz gesagt, der untersuchten Person wird ein radioaktiver Marker injiziert, der Isotope enthält, die in Teilchen mit niedrigerer Energie zerfallen und dabei Positronen erzeugen, die mit Elektronen kollidieren und dann in Photonen umgewandelt werden, die von der PET erfasst werden können. Dieses Verfahren zur Bildgebung des Gehirns ist jedoch invasiv (der Versuchsperson wird eine radioaktive Substanz injiziert), teuer (zur Erzeugung des radioaktiven Isotops wird ein Sincrotron benötigt) und nicht tragbar (PET ist recht groß). Andererseits ist die Qualität der PET-Bilder recht hoch und wird unter anderem für die Erkennung von Hirntumoren eingesetzt.
Es gibt noch einige andere interessante Neuroimaging-Techniken, aber um diesen Beitrag kurz zu halten, werde ich sie nur kurz aufzählen:
- Elektrokortikogramm (EcoG): erfordert die Öffnung des Schädels und die Platzierung einer Elektrodenanordnung an der Oberfläche des Kortex. Es zeichnet elektrische Signale auf, allerdings von höherer Qualität als das EEG.
- Magnetoenzephalogramm (MEG): Wie EEG, aber in diesem Fall werden die Magnetfelder aufgezeichnet, die von den Neuronen beim Feuern erzeugt werden.
- Computergestützte Tomographie (CAT): Es werden viele Röntgenaufnahmen aus vielen verschiedenen Winkeln gemacht. Mit diesen Informationen kann ein 3D-Bild des Gehirns erstellt werden. Achtung! Die Radioaktivitätsbelastung der Patienten ist beträchtlich.
- Mikroelektroden-Arrays (MEAs): Sie werden für In-vitro-Neuronen-Kulturen verwendet und ermöglichen die Messung individueller Aktionspotenziale, um Zugang zu den grundlegenden Kommunikationsmechanismen zwischen Neuronen zu erhalten.