Medizinische Fernsehsendungen zeigen manchmal Gedanken, die über das Gehirn springen, als Aktionspotentiale, die sich wie explodierende Sterne entzünden. Obwohl es dramatisch und beeindruckend aussieht, können die heutigen Bildgebungstechnologien des Gehirns die Gehirnaktivität nicht so empfindlich darstellen. Eine neue Technik der Magnetresonanztomographie (MRT) namens DIANA – direkte Bildgebung der neuronalen Aktivität – könnte uns jedoch näher bringen.
Eine Alternative zu BOLD fMRI
Ein Gehirnsignal beginnt mit einem Aktionspotential, das durch schnelle Spannungsänderungen an Zellmembranen verursacht wird. Forscher, die an dieser Proof-of-Concept-Studie beteiligt waren, berichteten in Wissenschaftsagen, dass DIANA diese neuronale Aktivität messen könnte, indem sie die intrazelluläre Spannung einer Gruppe von Neuronen erfasst.
Die Technik könnte eine Lücke in der Bildgebung des Gehirns schließen. Die funktionelle MRT (fMRI) ermöglicht es uns beispielsweise, die neuronale Aktivität im Gehirn nicht-invasiv zu betrachten, indem wir ein Surrogat messen – Schwankungen im vom Blutsauerstoffgehalt abhängigen (BOLD) Signal, die aus Änderungen der neuronalen Aktivität resultieren. Aber die zeitliche Spezifität der fMRI ist zu langsam (in der Größenordnung von 100 ms), um die Neuronenaktivierung während kognitiver Prozesse zu verfolgen. Alternativen wie Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetoenzephalographie (MEG) haben eine höhere zeitliche Auflösung, aber eine räumliche Auflösung, die auf den Zentimeterbereich beschränkt ist.
DIANA kann sowohl zeitliche als auch räumliche Auflösungen in der Größenordnung kognitiver Prozesse (5 ms bzw. 0.22 mm) erreichen, indem Gruppen von neuronalen Signalen mit einem unterschiedlichen Datenerfassungsschema isoliert werden, erklärt der leitende Autor Jang-Yeon-Park.
Park, Professor für Biomedizintechnik an Sungkyunkwan Universität in Korea, wurde durch eine Studie in inspiriert Nature Methods darin wurde beschrieben, wie Daten aufgeteilt werden können, um Bilder in Stücken für BOLD fMRI zu erfassen. Nachdem Park über die Theorie nachgedacht hatte, sagte er, er habe erkannt, dass die Methode für MRT mit ultrahoher zeitlicher Auflösung übernommen werden könne.
Bilder in Stücken erwerben
Daten von MR-Signalen werden in einem sogenannten temporären Bildraum gespeichert k-Platz. Informationen über den Bildkontrast werden in der Mitte von gehalten k-Raum, der Informationen mit niedriger Ortsfrequenz enthält, während Bilddetails an den Rändern mit hoher Ortsfrequenz festgehalten werden k-Platz. Im Laufe einer MRT-Untersuchung, k-Raum ist gefüllt. Am Ende eines Scans k-Raum ist voll, und Daten werden rekonstruiert, um ein Bild zu erzeugen.
Die gebräuchlichste Art zu füllen k-space besteht darin, Daten Zeile für Zeile zu erfassen und eine Reihe vollständiger Bilder zu sammeln, um ein Signal durch Zeit und Raum zu verfolgen. DIANA hingegen sammelt eine Reihe von Teilbildern mit einem schnellen 2D-Zeilenscan-Ansatz. Hier einzelne Zeilen von k-Raum werden wiederholt zwischen den Intervallen eines wiederholten Reizes erworben, und anders k-Raumlinien werden in verschiedenen Reizperioden erfasst. Auf diese Weise fügt jede Stimulusperiode eine Zeile hinzu k-space zu allen Zeitreihenbildern innerhalb des Zeitraums.
DIANA benötigt keine Kontrastmittel oder neue Geräte. Die neuronale Aktivierung kann auf einem Ultrahochfeld-Scanner unter Verwendung einer herkömmlichen 2D-Gradientenecho-Bildgebungssequenz mit einer kurzen Echozeit und einer kurzen Wiederholungszeit in einem Line-Scan-Akquisitionsschema abgebildet werden.
Um wiederholbare neuronale Aktionspotentiale zu erzeugen, schnippten die Forscher wiederholt die Schnurrhaare anästhesierter Mäuse, eine Technik, die bei bildgebenden Untersuchungen des Gehirns üblich ist. Sie beobachteten, dass als Reaktion auf den Stimulus Neuronen im somatosensorischen Kortex der Maus aktiviert wurden, nachdem tiefe Regionen wie der Thalamus aktiviert worden waren. Die Abbildung dieses Niveaus neuronaler Aktivität, so die Forscher, könnte uns helfen, die Kommunikation zwischen Bereichen des Gehirns in Zukunft zu verstehen.
„Wenn es im menschlichen Körper funktioniert, kann es ein Wendepunkt für die Neurowissenschaften sein, denn wenn wir die Neuroaktivierung direkt mit hoher zeitlicher und hoher räumlicher Auflösung nachweisen, dann können wir meiner Meinung nach wirklich damit beginnen, das Gehirnnetzwerk als neuronales Netzwerk zu betrachten Zeit und Raum“, sagt Park. „Mit BOLD fMRI … ist es sehr schwierig, das dynamische neuronale Netzwerk zu betrachten, und es ist auch schwierig, die hierarchische funktionale Konnektivität im neuronalen Netzwerk zu untersuchen.“
T2 in die Zukunft
Die biophysikalische Quelle des DIANA-Signals ist nicht klar, aber die Forscher glauben, dass sie eine starke Hypothese haben, die durch zusätzliche Experimente und Simulationen gestützt wird – dass Änderungen des neuronalen Membranpotentials sich in einer positiven Korrelation mit der transversalen Relaxationszeit (T2) des MRT-Signal, das bestimmt, wie schnell das MRT-Signal verschwindet.
Solche neuralen Aktivierungssignale wurden in BOLD-fMRI-Experimenten nicht beobachtet, weil sie hämodynamische Reaktionen in der Größenordnung von mehreren Sekunden statt Millisekunden erfassen, erklärt Park.
Er und seine Gruppe lassen sich jedoch immer noch von fMRI-Experimenten inspirieren, wenn sie auf zukünftige Arbeiten blicken. BOLD fMRI misst das Signal ohne Stimulus unter Verwendung von Ruhezustandstechniken, und die Empfindlichkeit wird durch die Verarbeitung von Daten mit einer neuronalen Antwortfunktion erhöht. Das Team hofft, analoge Techniken für DIANA zu entwickeln.
Die Ultraschalltechnik erfasst mikrometergroße Bilder der Gehirnaktivität
Park sagt, dass seine Forschungsgruppe DIANA verwendet, um visuelle neuronale Netzwerke in Mäusen zu untersuchen und wie sich das neuronale Netzwerk in Tiermodellen für neurodegenerative Erkrankungen verändert. Sie übersetzen die Technik auch zur Verwendung in Studien am Menschen, wo Bewegungsartefakte und Variabilität von Versuch zu Versuch vorherrschend sein können und Aktivierungsmuster mehrere Zeitskalen umfassen können.
„Neurowissenschaftler und Menschen, die an Neuroimaging-Studien arbeiten, wollen das Gehirn und seine Funktionsweise verstehen“, sagt Park. „Ich denke, wenn wir das echte dynamische neuronale Netzwerk verstehen, können wir auch wirklich anfangen zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert.“
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/high-resolution-mri-enables-direct-imaging-of-neuronal-activity/
