Hintergrund | 18.05.2011 | Drucken | Teilen

Hirnforschung

Pfadfinder durch die weiße Substanz

Eine besondere Form der Magnetresonanztomografie macht die Wanderung von Wassermolekülen im Gehirn sichtbar: die Diffusions-Tensor-Bildgebung. Mit ihrer Hilfe klären Forscher wie Rainer Goebel und Jan Zimmermann von der Universität Maastricht den Verlauf von Nervenfasern auf, über die verschiedene Hirnareale miteinander kommunizieren.
Die Magnetresonanztomografie (MRT) hat in Hirnforschung und Medizin eine neue Ära eingeläutet. Inzwischen taugt die jüngste Untersuchung "in der Röhre" sogar zum Partythema und die bunten Bilder funktioneller Hirnscans prangen auf Zeitungen.

Eine Variante der MRT hat dagegen ihren Siegeszug in den neurowissenschaftlichen Labors in aller Stille angetreten: die Diffusions-Tensor-Bildgebung (kurz: DTI von englisch Diffusion Tensor Imaging). Mit diesem Verfahren gewinnen Forscher Informationen über die Lage der Faserbahnen in der weißen Hirnsubstanz. Diese bestehen aus Bündeln von Axonen, den langen Nervenfortsätzen, und verbinden die verschiedenen Bereiche des Gehirns wie ein Rohrpostsystem.

Kabelsalat
  Kabelsalat
Forscher rekonstruieren in solchen Computerdarstellungen den Verlauf von Nervenbahnen zwischen verschiedenen Hirnarealen. Die bunten Stränge im Bild zeigen die Faserverläufe in einem Bereich des Balkens, der die beiden Hirnhälften miteinander verbindet.
Wie Untersuchungen per DTI in den vergangenen 15 Jahren ergaben, sind Aufbau und Dichte dieses Geflechts entscheidend für zahlreiche Leistungen unseres Gehirns – von der Motorik über kognitive Fähigkeiten wie Lesen und Rechnen bis hin zu Kreativität und Intelligenz. Auch verschiedene Krankheiten wie Schizophrenie gehen mit Veränderungen der Nervenverbindungen in der weißen Substanz einher.

Bewegung von Wassermolekülen

Grundlage der DTI ist die so genannte diffusionsgewichtete Bildgebung, die die Bewegung von Wassermolekülen im Gewebe misst. Der Tomograf sendet dabei Pulse von elektromagnetischen Wellen aus, die das Gewebe je nach Geschwindigkeit der Wasserteilchen als verschieden starke "Echos" zurückwirft. Große Faserbündel lassen sich mit der Methode relativ zuverlässig erkennen, da Flüssigkeit entlang der Axone rascher diffundiert als in andere Richtungen.

Bei einer einzigen DTI-Messung erfasst der Scanner die Diffusion an mehreren Millionen Orten im Gehirn. Das Denkorgan wird dazu in unzählige kleine Quader von wenigen Millimetern Kantenlänge eingeteilt – Forscher sprechen in Analogie zu zweidimensionalen Pixeln von "Voxeln". Schicht für Schicht erfasst das Gerät die Bewegung der Wassermoleküle in jedem dieser Raumelemente. Weil es in einem Durchgang immer nur eine Diffusionsrichtung messen kann, wird die Aufnahme mehrmals für unterschiedliche Orientierungen durchgeführt. So erfährt man für jeden Voxel, wie stark sich die Zellflüssigkeit in die untersuchten Richtungen bewegt. Diese Werte visualisieren Forscher häufig als Ellipsoid, das mathematisch auch als dreidimensionaler "Tensor" ausgedrückt werden kann – daher die Bezeichnung der Methode. Driften die Wassermoleküle in einem Voxel gleichmäßig in alle Richtungen, nimmt das Ellipsoid die Form einer Kugel an. Herrscht dagegen eine bestimmte Diffusionsrichtung vor, ist das Gebilde lang gestreckt, und die Orientierung der Längsachse stimmt mit der Bewegungsrichtung des Wassers überein.

Aus dem für jeden Voxel berechneten Tensor können Wissenschaftler mehrere Maße ableiten: Seine allgemeine Größe verrät die durchschnittliche "Diffusivität", die besagt, wie stark sich die Wassermoleküle überhaupt bewegen. Das hängt unter anderem davon ab, ob sie durch Hindernisse wie Zellmembranen aufgehalten werden. Die Diffusivität der Hirnflüssigkeit ist zum Beispiel in den Hohlräumen des Gehirns, den Ventrikeln, sehr hoch, da die Wasserteilchen dort selten auf Barrieren stoßen. In der grauen und weißen Substanz ist sie dagegen deutlich geringer; schließlich stehen ihnen hier zahlreiche Membranen im Weg.

Chaos oder Ordnung?

Der Tensor gibt auch Aufschluss darüber, wie stark eine bestimmte Diffusionsrichtung vorherrscht – Forscher sprechen vom Maß der "fraktionellen Anisotropie" (FA). Sie ist umso höher, je paralleler die Diffusionsbarrieren, etwa Zellmembranen, in einem Voxel ausgerichtet sind. In schlauchförmigen Strukturen wie den Faserbündeln der weißen Substanz ist die fraktionelle Anisotropie daher sehr hoch, wohingegen sie in kugelförmigen Gebilden wie den Zellkörpern der grauen Substanz niedrigere Werte annimmt.

Um einzelne Faserstränge zu rekonstruieren, sucht ein Computerprogramm einen Voxel mit hohem FA-Wert und bestimmt die Längsachse des zugehörigen Tensors. Deren Orientierung weist auf den Verlauf der entsprechenden Nervenfaser hin. Das Gleiche wiederholt der Algorithmus nun mit den in Verlaufsrichtung angrenzenden Voxeln – so lange, bis er an eine Stelle gelangt, an der die fraktionelle Anisotropie unter einen vorgegebenen Wert fällt. Das geschieht etwa an Stellen, an denen eine Nervenfaser endet oder in die graue Substanz übergeht, in der sich die Zellkörper befinden.

Nun sucht sich das Programm einen neuen Voxel mit einem hohen FA-Wert – und das Spiel beginnt von vorne. Die Tensorbildgebung kann immer nur die Achse einer Diffusionsbewegung bestimmen, gibt aber nicht an, in welche Richtung die Wassermoleküle entlang dieser Achse wandern. Daher rekonstruiert der Computer die Fasern immer in zwei Richtungen und setzt die Bilder anschließend zu einem vollständigen Strang zusammen. So entstehen eindrucksvolle dreidimensionale Modelle der Nervenfasern im Gehirn.

Mediziner nutzen die fraktionelle Anisotropie häufig als Maß für die "Integrität" oder auch Leistungsfähigkeit der Faserbahnen in der weißen Substanz. So lassen sich per DTI beispielsweise bestimmte neurologische Erkrankungen diagnostizieren. Die Gruppe um Laurie Cutting von der Johns Hopkins School of Medicine in Baltimore (USA) bemerkte etwa, dass Kinder mit einer Leseschwäche eine geringere fraktionelle Anisotropie in Arealen eines wichtigen Sprachnetzwerks aufweisen. Bei Schizophrenie wiederum ist dieser Wert in der weißen Substanz der für die kognitive Kontrolle zuständigen frontalen Hirnregionen erniedrigt.

Bei Verdacht auf Schlaganfall setzen Neurologen die Diffusionsbildgebung zur Frühdiagnose ein, denn in dem betroffenen Hirngewebe fällt die Diffusivität oft schon wenige Minuten nach dem Infarkt messbar ab. Und auch bei der Planung komplizierter chirurgischer Eingriffe kommt die Methode zum Einsatz: Damit die Ärzte bei Hirnoperationen keine wichtigen Nervenstränge verletzen, rekonstruieren sie zuvor den Verlauf der Faserbahnen mittels DTI.

Verkabelungen der Psyche

Neuerdings nutzen auch Neurowissenschaftler die Diffusions-Tensor-Bildgebung immer häufiger für psychologische Forschungsprojekte. Wie Naama Barnea-Goraly und ihre Kollegen von der Stanford University 2005 herausfanden, hängt die fraktionelle Anisotropie direkt mit der Entwicklung kognitiver Fähigkeiten zusammen. Die Forscher bemerkten, dass im Zuge der Kindesentwicklung die FA-Werte unter anderem in Bereichen des Balkens und des vorderen Stirnhirns stark zunehmen.

Diese präfrontalen Areale der Hirnrinde sind unter anderem an der Bildung des Arbeitsgedächtnisses, an der Verhaltenskontrolle sowie der Steuerung von Aufmerksamkeit beteiligt – Prozesse, die Kinder mit zunehmender Reife immer besser beherrschen. Den Anstieg der fraktionellen Anisotropie im Balken erklären die Forscher mit den neu erworbenen motorischen Fähigkeiten der Sprösslinge, die mehr Querverbindungen zwischen den Gehirnhälften erforderten. Umgekehrt scheint der Rückgang kognitiver und motorischer Leistungen im Alter mit der Degeneration von Faserbahnen in der weißen Substanz einherzugehen, wie die Gruppe von Natalie Zahr, ebenfalls von der Stanford University, 2009 herausfand.

Auch die Frage, auf welchen neuronalen Grundlagen bestimmte Persönlichkeitsmerkmale beruhen, untersuchen Wissenschaftler immer häufiger per DTI. 2008 entdeckten etwa Michael Cohen und Kollegen von der Universität Bonn, dass sowohl die Tendenz, neue Erfahrungen zu suchen, als auch die Abhängigkeit von sozialer Bestätigung mit der Ausbildung bestimmter Nervenfasern zusammenhängen.

Die Arbeitsgruppe um Hikaru Takeuchi von der Tohoku-Universität in Sendai (Japan) konnte wiederum die Kreativität von Probanden mit der Integrität der weißen Substanz in manchen Hirnregionen, unter anderem dem vorderen Stirnhirn, den Basalganglien sowie dem Übergang vom Schläfen- zum Scheitellappen, in Verbindung bringen. Obwohl die Diffusions-Tensor-Bildgebung heute bereits vielfältig genutzt wird, besteht noch Verbesserungspotenzial: So sind die Messungen sehr anfällig für Artefakte – etwa, wenn Probanden bei der Aufnahme ihren Kopf minimal bewegen. Gerade bei der Untersuchung von Kindern oder Kranken, die nicht lange stillhalten können, ist das ein großes Problem. Aber auch die relativ grobe Auflösung und die Empfindlichkeit des MRT-Magnetfelds für Störungen stellen die Wissenschaftler vor Herausforderungen. Zahlreiche Forschergruppen auf der ganzen Welt arbeiten aktuell daran, diese Effekte bereits während der Messung auszuräumen oder sie mit intelligenten Nachbearbeitungsalgorithmen zu minimieren.

Bei der Faserverfolgung am Computer muss man berücksichtigen, dass es sich nur um eine Rekonstruktion handelt – das Resultat entspricht nicht immer exakt den realen Nervenbahnen im Gehirn. Denn mit einer Voxelgröße von mehreren Kubikmillimetern können feinere Fasern schlicht nicht aufgelöst werden. Es ist beispielsweise häufig nicht ersichtlich, ob sie sich in einem Voxel kreuzen oder nur berühren und dann wieder auseinanderlaufen. Um genauere Ergebnisse zu erhalten, haben Wissenschaftler verbesserte Verfahren zur Faserverfolgung entwickelt. Ansätze wie das "Q-Ball-Imaging" versuchen, in einem Voxel statt nur einer mehrere Diffusionsachsen gleichzeitig zu bestimmen. Allerdings dauert eine Aufnahme sehr viel länger als beim herkömmlichen DTI, denn an Stelle von sechs verschiedenen Diffusionsrichtungen muss der Scanner hierbei etwa 100 erfassen.

Qualitätstests im Labor

Wie gut die Algorithmen die Nervenbahnen rekonstruieren, können Wissenschaftler mit so genannten DTI-Phantomen überprüfen. Dabei stellen sie verschiedene Faserverläufe im Labor nach: Sie betten beispielsweise mit Polyesterfäden und einer Flüssigkeit gefüllte Röhrchen in eine Trägersubstanz – etwa so, dass sie sich in der Mitte kreuzen oder berühren. Dieses Modell schieben die Forscher dann in den Scanner und untersuchen per Computer den Verlauf der Stränge.

Eine weitere Möglichkeit zur Überprüfung der Faserverfolgung sind so genannte Tracing-Verfahren. Hierbei spritzen Wissenschaftler Farbstoffe in bestimmte Regionen eines toten Gehirns. Diese wandern im Verlauf mehrerer Monate in andere Hirnbereiche, und zwar über die Axone der weißen Substanz. Anschließend schneiden die Forscher das Organ in feine Scheiben und registrieren die angefärbten Nervenstränge.

Große Hoffnung setzen Neurowissenschaftler in die Kombination der Diffusions-Tensor-Bildgebung mit anderen Verfahren. So gibt es derzeit zwei prinzipielle Methoden, neuronale Verbindungen im Gehirn zu untersuchen: strukturelle, auf anatomischen Studien beruhende Ansätze wie DTI einerseits und die mathematische Analyse von EEG- oder fMRT-Signalen andererseits, die funktionelle Verknüpfungen zwischen Hirnregionen herstellt. Die anatomischen Daten können Forscher beispielsweise dafür nutzen, die Algorithmen für funktionelle Studien zu überprüfen.

In diesem Zusammenhang versuchen derzeit Forscher mehrerer amerikanischer Universitäten im Verbund des Human Connectome Project, eine Karte aller großen Nervenverbindungen zwischen den Arealen des menschlichen Gehirns zu erstellen – unter anderem mittels DTI. Auf Basis dieses ambitionierten Projekts sollen Wissenschaftler und Ärzte in Zukunft aus einem komplexen Verschaltungsdiagramm die Kommunikationswege einzelner Hirnregionen ablesen können.


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Kabelsalat in der Bildgebung

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