Funktionelles MRT wird eine nicht-invasive Visualisierung des Gehirns ermöglichen

Funktionelles MRT wird eine nicht-invasive Visualisierung des Gehirns ermöglichen
Funktionelles MRT wird eine nicht-invasive Visualisierung des Gehirns ermöglichen
Anonim

REHOVOT, Israel - 27. Januar 2000 - Die Ausgabe der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Neuroscience (Februar 2000) enthält zwei Artikel, die wissenschaftliche Erkenntnisse beschreiben, die auf funktioneller MRI (fMRI) und optischer Bildgebungstechnologie basieren und das Gebiet erheblich voranbringen können der Hirnforschung sowie der Behandlung neurologischer Erkrankungen. Diese Errungenschaft ist das Ergebnis paralleler Forschungsanstrengungen von Wissenschaftlern der University of Minnesota und des Weizmann Institute of Science.

Gehirnforscher auf der ganzen Welt streben danach, Nervenzellcluster in Aktion genau zu kartieren, sich mit Gleich altrigen in Form von elektrischen Impulsen zu "unterh alten", während sie sensorische Informationen verarbeiten oder kognitive Funktionen ausführen.

Jeder Cluster, der Tausende von Nervenzellen enthält, die eine bestimmte Verarbeitungsaufgabe ausführen, wird als "kortikale Säule" bezeichnet. Kortikale Säulen sind die "Mikroprozessoren" des Gehirns. Hirnforscher behaupten, dass die Fähigkeit, eine genaue Kartierung der kortikalen Säule zu erh alten, entscheidend ist, um zu verstehen, wie das menschliche Gehirn seine bemerkenswerten Funktionen erfüllen kann. Bisher konnten sie dies jedoch nicht direkt tun und mussten sich auf mehrere indirekte Methoden wie Positronen-Emissions-Tomographie (PET), optische Bildgebung und fMRI verlassen. Hirnvenen-Mapping

Diese Methoden basieren auf der mehr als 100 Jahre alten Entdeckung von Lord Sherrington über einen Zusammenhang zwischen der elektrischen Aktivität des Gehirns und Veränderungen in der Blutzirkulation. Zum Beispiel basiert PET auf der Injektion einer radioaktiven Substanz in den Blutstrom und der Kartierung der örtlichen Veränderungen des Blutflusses als Reaktion auf die elektrische Aktivität im Gehirn.

Mithilfe von fMRT verfolgen Wissenschaftler Veränderungen in der Menge an Sauerstoff, die an Hämoglobin im Blutkreislauf gebunden ist, was darauf zurückzuführen ist, dass Hämoglobin aktive Nervenzellen mit Sauerstoff versorgt.fMRI ist völlig nicht-invasiv, daher der Vorteil gegenüber der PET, die auf der Injektion radioaktiver Tracer beruht. Daher kann fMRT verwendet werden, um dasselbe Gehirn viele Jahre lang zu untersuchen, wodurch Forscher potenziell in die Lage versetzt werden, Gedächtnisspuren, Alterungsprozesse oder die funktionelle Erholung nach einem Trauma oder Schlaganfall zu verfolgen und abzubilden.

Bis vor kurzem war die Kartierungsgenauigkeit dieser Techniken ziemlich begrenzt: Sie konnten einen aktiven Bereich im menschlichen Gehirn mit einer Genauigkeit von 1-3 mm (fMRI) oder 3-7 mm (PET) kartieren, und waren daher nicht in der Lage, die grundlegenden Verarbeitungseinheiten des Gehirns abzubilden - die 0,5 mm breiten Mikroprozessoren.

Mapping von Gehirnmikroprozessoren

In den letzten 15 Jahren hat Prof. Amiram Grinvald von der Abteilung für Neurobiologie des Weizmann-Instituts einen neuartigen Ansatz zur optischen Abbildung des Gehirns entwickelt, der auf der Verfolgung von Farbänderungen im Blut basiert, das die aktiven Mikroprozessoren mit Sauerstoff versorgt. Mit dieser Technologie konnte Grinvald den genauen Zeitpunkt und Ort identifizieren, an dem Nervenzellen Sauerstoff aus dem blutdichten Mikrozirkulationssystem verbrauchen.Die durch optische Bildgebung erreichte hohe Auflösung ermöglichte es ihm, einzelne kortikale Säulen – die Mikroprozessoren des Gehirns – vollständig abzubilden. Dazu gehörten Mikroprozessoren des visuellen Systems, die sich auf die Wahrnehmung von Form, Farbe und Bewegung beziehen. Die optische Bildgebung legte auch den Grundstein für die Entwicklung der funktionellen MRT, die besser für die nicht-invasive Forschung am menschlichen Gehirn und klinische Anwendungen geeignet ist.

Anfangs hofften die Wissenschaftler, dass der Einsatz von fMRT eine Hirnkartierung mit der gleichen Genauigkeit ermöglichen würde, die durch die optische Bildgebungstechnologie erreicht wird. Tatsächlich erkennen beide Methoden einen beträchtlichen "Aktivitätsgipfel", der ungefähr 6 Sekunden nach dem Beginn der elektrischen Aktivität auftritt. Leider konnten die fMRI-Systeme den "Anfangsabfall", ein früher auftretendes negatives Signal, das von optischen Bildgebungssystemen deutlich sichtbar ist, nicht erkennen.

Erste Dips und Aktivitätsberge

Vor zwei Monaten veröffentlichten Ivo Vanzetta und Amiram Grinvald vom Weizmann Institute of Science jedoch einen Artikel in Science, in dem sie vorschlugen, wie die Auflösung des fMRI-Systems stark verbessert werden könnte.Ein Team von Wissenschaftlern der University of Minnesota unter der Leitung von Prof. Kamil Ugurbil hat sich dieses Rezept zu eigen gemacht. Zuerst fanden sie den fehlenden anfänglichen Abfall mit fMRT und zeigten damit, dass die beiden Techniken dieselben vaskulären Ereignisse überwachen können, vorausgesetzt, die fMRT wird in einem starken Magnetfeld durchgeführt. (Genau wie bei der optischen Bildgebung liefert die anfängliche Senke ein viel kleineres Signal im Vergleich zum verzögerten Aktivitätsberg. Daher hatten fMRI-Forscher zuvor natürlich den größeren „Aktivitätsberg“verwendet, um den genauen Ort der elektrischen Aktivität zu kartieren.)

Dae-Shik Kim, Timothy Duong und Seong-Gi Kim von der Minnesota-Gruppe berichten jedoch in Nature Neuroscience, dass dieses Aktivitätswappen nicht verwendet werden kann, um den genauen Ort der elektrischen Aktivität mit fMRI zu überwachen. Das wichtigste Ergebnis ihres Berichts ist, dass der genaue Ort des Feuerns tatsächlich dem Ort des anfänglichen Einbruchs entspricht. Die Nutzung dieses kleinen Signals ermöglichte die erste exakte Kartierung von Orientierungssäulen – den Mikroprozessoren, die für die Formwahrnehmung in frühen Verarbeitungsbereichen des visuellen Kortex verantwortlich sind.

Die aktuelle Zeitschrift Nature Neuroscience enthält einen News and Views-Artikel von Amiram Grinvald, Hamutal Slovin und Ivo Vanzetta vom Weizmann Institute, in dem sie die Errungenschaften des Minnesota-Teams diskutieren und neue Daten aus der optischen Bildgebung liefern. Zusammengenommen deuten diese Artikel darauf hin, dass die fMRI durch die Konzentration auf den anfänglichen Einbruch die nicht-invasive Kartierung kortikaler Säulen auch in der menschlichen Gehirnforschung ermöglichen wird.

Wissenschaftler glauben, dass die entscheidende Verbesserung der MRT-Genauigkeit die wissenschaftliche Forschung erheblich voranbringen wird, die darauf abzielt, die grundlegenden Mechanismen, die der menschlichen Wahrnehmung und höheren kognitiven Funktionen zugrunde liegen, besser zu verstehen. Darüber hinaus kann es eine wertvolle Bedeutung bei der Verbesserung der Fähigkeit zur Früherkennung und vielleicht Prävention verschiedener psychischer Störungen haben. Prof. Grinvald, Inhaber des Helen and Norman Asher Professorial Chair in Brain Research, ist Leiter des Murray H. and Meyer Grodetsky Center for Research of Higher Brain Functions und des Wolfson Center for Applied Scientific Research in Functional Brain Imaging am Weizmann Institut.Diese Studie wurde unterstützt von der Deutsch-Israelischen Stiftung für wissenschaftliche Forschung und Entwicklung, der Horace W. Goldsmith Foundation, Phoenix, Arizona, und Ms. Margaret Enoch aus New York.

Bilder und Informationen zur optischen Bildgebung finden Sie unter:

Das Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, ist eines der weltweit führenden Zentren für wissenschaftliche Forschung und Graduiertenstudium. Seine 2.500 Wissenschaftler, Studenten, Techniker und Ingenieure betreiben Grundlagenforschung auf der Suche nach Wissen und zur Verbesserung der Menschheit. Neue Wege zur Bekämpfung von Krankheiten und Hunger, zum Schutz der Umwelt und zur Nutzung alternativer Energiequellen haben bei Weizmann hohe Priorität.

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