Licht ins Denken: gestochen scharfe Bilder aus den Tiefen des Hirns
Den Kopf voran lässt sich die junge Frau in den schmalen Tunnel des Magnetresonanztomographen (MRT) schieben. Sie befindet sich nun im Inneren eines röhrenförmigen Magneten, der, fast vier Meter lang und dutzende Tonnen schwer, ein Magnetfeld von sieben Tesla erzeugt - mehr als das 140 000-fache des Magnetfeldes der Erde.
Seit dem Sommer 2007 verfügt das Institut über den Hochleistungstomographen, mit dem sich detaillierte Innenansichten des Hirns gewinnen lassen. „Scanner dieser Art sind für die moderne Hirnforschung längst unverzichtbar geworden“, erklärt Robert Trampel aus dem Team der Abteilung Neurophysik. Denn wer kognitive Leistungen wie Wahrnehmung, Sprache oder Gedächtnis verstehen wolle, sei auf den Blick ins Innenleben des Hirns angewiesen. Je stärker dabei das Magnetfeld ist, desto klarer lässt sich der komplexe Aufbau des Hirns am Bildschirm erkennen. So arbeiten die im Klinikalltag verwendeten Tomographen meist mit Feldstärken von 1,5 Tesla und liefern Bilder mit Ungenauigkeiten von mehreren Millimetern. Die kraftvolle Technik des 7 Tesla-Scanners macht es dagegen möglich, die unzähligen Furchen und Windungen des Hirns bis auf den halben Millimeter genau zu erfassen und so in immer feinere Strukturen einzudringen. Auf den Bildschirmen der Forscher erscheinen inzwischen die ersten Bilder des Hirnscanners. Per Mausklick können sich Robert Trampel und seine Kollegen nun Schicht um Schicht durch das Gehirn der Probandin bewegen.
Die Grundlage der MRT-Technologie liegt im Inneren des Körpers auf molekularer Ebene. Wasser, das häufigste Element des Körpers, enthält als einzelnes Molekül zwei Wasserstoffatome, deren Kerne jeweils aus einem einzelnen Proton bestehen. Jedes dieser Protonen besitzt einen Spin, welcher eine quantenmechanische Größe ist und eine Art Eigenrotation darstellt. Aufgrund des mit dem Spin assoziierten magnetischen Moments verhalten sich die Protonen im Innern des Magneten wie kleine Kompassnadeln und richten ihre Drehachsen parallel zum Magnetfeld aus. Die nun in Reih und Glied rotierenden Teilchen werden von den Forschern aus dem Gleichgewicht gebracht, indem sie einen kurzen Radiowellenimpuls durch das Gewebe schicken. Beim Zurücktrudeln in ihre Ausgangslage senden die Atomkerne ein schwaches elektromagnetisches Signal aus. Auf diesem leisen Teilchenecho beruht die MRT-Bildgebung. Denn Dauer und Stärke der Signale sind abhängig von der der Zusammensetzung des umliegenden Gewebes. Eine spezielle Software ordnet den Signalunterschieden hellere und dunklere Bildpunkte zu - scheibchenweise entsteht so ein Gesamtbild des Hirns. Je stärker dabei das Magnetfeld ist, desto deutlicher fällt die Antwort der Protonen aus - und umso besser ist auch die Bildqualität.
Während die normale MRT-Technik einen exakten Bauplan der Hirnarchitektur liefert, erlaubt es die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), dem Gehirn bei der Arbeit zuzusehen. Dafür projiziert Robert Trampel kleine Lichtpunkte in den Scanner, die sich durch den Sichtbereich der Probandin bewegen. Die Reaktion des Nervensystems können die Wissenschaftler kurz darauf auf ihren Bildschirmen verfolgen. Dort flackern die beiden V5-Areale auf, hochspezialisierte Strukturen im Visuellen Kortex, dem Sehzentrum des Gehirns, die für die Wahrnehmung von Bewegungen zuständig sind. Was bei früheren Versuchen mit den beiden 3-Tesla-Scannern des Instituts nur als rundlich-amorphe Flecken zu erkennen war, entpuppt sich bei 7 Tesla als filigrane, vielfach verästelte Struktur mit weit ausgreifenden Fransen und Einstülpungen - Feinheiten, die erst durch die hohen Feldstärken sichtbar werden.
Die fMRT-Technologie ist noch relativ jung und wurde erst Anfang der 1990er Jahre in den USA entwickelt. Robert Turner, der heutige Leiter der Abteilung Neurophysik, gehörte damals zu den Pionieren der Technik. Dahinter steht ein einfaches Prinzip, der so genannte BOLD-Effekt (für Blood-Level-Oxygen-Dependent). Ein „beschäftigtes“ Hirnareal benötigt mehr Sauerstoff, in die aktiven Regionen strömt deshalb besonders viel sauerstoffreiches Blut. Dadurch ändert sich das Signal der Spins. Für die Aufnahmen einer fMRT bleiben dabei nur wenige Sekunden - auf den reichlich verschwommenen Schnappschüssen lässt sich deshalb für den Laien zunächst wenig erkennen. Erst die Kombination der fMRT-Datensätze mit den anatomisch präzisen Hirnkarten des MRT liefert jene sehr genauen Momentaufnahmen menschlichen Denkens, wie sie die Kognitionsforscher benötigen.
Noch arbeiten Turner und sein Team aus Physikern, Mathematikern, Psychologen und Informatikern vor allem daran, den Tomographen auf künftige Aufgaben vorzubereiten und zu optimieren. Doch schon bald soll die präzise Bildgebung des Scanners auch für komplexere Experimente der Handlungs- und Sprachforschung des Instituts zur Verfügung stehen.