Technische Ausstattung

Der Hirnscanner CONNECTOM geht heute an den Start. Als eines von drei Geräten dieser Art weltweit wird er dank seiner einzigartigen Gradientenstärke Auskunft über die innere Verdrahtung des Gehirns geben.

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Im März 2019 wurde am Institut ein neuer Tomograph in Betrieb genommen, dessen Magnet ein Feld von 7 Tesla produziert – das ist etwa 140.000 Mal so stark wie das Erdmagnetfeld. Er ersetzt unseren 7T-Tomographen der ersten Generation der über 12 Betriebsjahre hinweg in zahlreichen Studien neue Einblicke in die Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns erlaubt hat. Das Magnetfeld wird mit einer supraleitenden Spule aus Niob-Titan-Legierung erzeugt, die ständig auf eine Temperatur von 4,2 Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wird (–269 °C). Der Magnet ist etwa 2,7 Meter lang, 2,9 Meter breit und wiegt (nach Installation) weniger als 25 Tonnen. Die Öffnung des Patiententunnels hat einen Innendurchmesser von 60 cm. Der Magnet ist aktive abgeschirmt, wurde aber dennoch in der bereits vorhandenen Eisenkabine mit Abmessungen von 10 × 5.7 × 5.7 Metern und einem Gewicht von 362 Tonnen installiert, da ein Rückbau zu aufwändig wäre. Insgesamt wird das magnetische Streufeld außerhalb der Abschirmung so effizient reduziert, dass die 0,5 Millitesla-Konturlinie vollständig innerhalb des elliptischen Gebäudeteils, der die Anlage enthält, verläuft.
Der Tomograph verfügt über eine leistungsfähige Gradienteneinheiten zur Ortskodierung der Signale, die bis zu 80 Millitesla pro Meter entlang jeder beliebigen Raumachse innerhalb von 0,4 Millisekunden erzeugen kann. Die Resonanzfrequenz beträgt bei Experimenten mit Wasserstoffatomkernen („Protonen“) 298 Megahertz. 64 parallele Hochfrequenzkanäle stehen empfangsseitig zur Verfügung. Zum Senden stehen bis zu 16 parallele Kanäle mit jeweils 2 Kilowatt Leistung zur Verfügung. Neben Wasserstoffkernen können alle biologisch bedeutsamen Atomkerne (z. B. C-13, Na-23, P-31) untersucht werden.

Dieser Tomograph wurde bereits 2003 installiert – damals als erster seiner Art mit einer Ganzkörperspule. In den 20 Jahren, in denen er in Betrieb ist, wurde er kontinuierlich auf dem neuesten Stand der Technik gehalten. Ein Ganzkörper-Gradientensystem erzeugt Gradienten von bis zu 80 Millitesla pro Meter entlang beliebiger Richtungen innerhalb einer minimalen Anstiegszeit von 0,4 Millisekunden zur räumlichen Kodierung der Signale. Die Resonanzfrequenz für bildgebende Experimente mit Wasserstoffkernen liegt bei 123,2 Megahertz. Zur Untersuchung des menschlichen Gehirns oder Rückenmarks werden verschiedene Spezialspulen verwendet. Im gepulsten Modus erzeugt der Verstärker bis zu 35 Kilowatt, um die Körperspule zu betreiben. Bis zu 64 unabhängige Kanäle können gleichzeitig für den Signalempfang genutzt werden.

Foto: © Hans - J. Krumnow, 2011

Die MEG-Gruppe verfügt über ein 306-Kanal-Ganzkopf-Gerät der Firma Elekta Neuromag Oy, Helsinki, Finnland. Es verfügt ausserdem über ein integriertes EEG System sowie Einrichtungen zur auditorischen, visuellen und somato-sensorischen Stimulation (mehr technische Daten finden Sie auf der englischen Seite der MEG-Gruppe).

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein Verfahren, bei dem ein Stromimpuls von ca. 5000 Ampère für etwa eine halbe Mikrosenkunde durch ein gut isoliertes, spulenförmig gewundenes Kabel geleitet werden. Dieser kreisartige Stromfluß baut ein Magnetfeld von ca. 3 Telsa auf, was der bei MRT-Untersuchungen eingesetzten Feldstärke entspricht. Nervenzellen werden durch diese extrem starken magnetischen Schwankungen (von 0 auf 3 Tesla und wieder zurück zu 0 innerhalb von weniger als 1 Mikrosekunde) dazu angeregt, ihrerseits Impulse zu erzeugen. Wenn man diese Spule, die relativ klein und leicht ist, an den Kopf der Studienteilnehmerin oder des Studienteilnehmers hält, senden die Nervenzellen, die unmittelbar unterhalb der Auflagestelle liegen, bei jedem TMS-Impuls (i.d.R. 1 pro Sekunde) synchrone Signale. Da dieses gleichzeitige Feuern ganzer Nervenverbände funktionell sinnlos ist, wird die geordnete Informationsverarbeitung in diesem Gehirnteil für den Bruchteil einer Sekunde gestört. Somit kann man "virtuelle Läsionen" setzen, d.h. man simuliert einen Ausfall dieses Gehirnteiles ohne den Probanden zu gefährden. Mit einer gut durchdachten Versuchsanordnung mit richtigem Timing der TMS-Impulse kann man beweisen, ob der anvisierte Bereich des Gehirnes für eine bestimmte Denkaufgabe wichtig ist, da man sich eine Leistungsverschlechterung unter TMS erwarten würde. Um eine optimale Zielgenauigkeit bei der transkraniellen Magnetstimulation zu gewährleisten, werden zuvor gewonnene (funktionelle) MRT-Aufnahmen zur sogenannten Neuronavigation benutzt. Ein Computer vergleicht dabei die Aufnahmen des Gehirn mit dem Kopf der Studienteilnehmerin oder des Studienteilnehmers und erleichtert somit eine sehr präzise Positionierung der Spule am Kopf, über dem interessierenden Hirnteil.
Magnetfeldstärke:
0,5 - 3,5 Tesla
Maximale Wiederholungsrate:
50 Hz bei 30% maximaler Geräteleistung
30 Hz bei 50%
18 Hz bei 80%
15 Hz bei 100%
Bei unseren Experimenten kommen überwiegen Stimulationen von 1Hz zum Einsatz, gelegentlich auch kurze Pulsserien von 10Hz. Dauer eines Einzelimpulses: 400µs

• EEG-Labors mit 64 bzw. 96 Ableitekanälen
• 3-D Digitalisierer zur dreidimensionalen Registrierung von Elektrodenpositionen auf der Kopfoberfläche
• Labors für Reaktionszeitexperimente, darunter ein Psychophysik- und ein Pharmalabor
• Psychoakustiklabor mit schallisolierter Kammer
• Sprachlabor zum Editieren sprachlichen Stimulusmaterials für experimentalpsychologische Untersuchungen
• Auswerteraum mit 3 SGI-O2-Workstations
• Parallelrechner
• Ethernet-LAN mit einem Gigabit-Ethernet-Backbone mit Komponenten der Fa. Extreme Networks (Summit 48, Black Diamond)