DEM GEHIRN DURCH DEN SCHÄDEL BEI DER ARBEIT ZUSEHEN, MIT LICHT UND SCHALL

Die funktionelle MRT hat verändert, wie wir dem menschlichen Gehirn bei der Arbeit zusehen. Doch sie erfasst sauerstoffarmes Blut nur indirekt, über seine Wirkung auf Wassermoleküle, und sie braucht einen sperrigen, teuren, lauten, geschlossenen supraleitenden Magneten. Andere Werkzeuge tauschen eine Stärke gegen eine andere: Elektrische Ableitungen sind schnell, aber räumlich unscharf; Nahinfrarotlicht sieht das Blut, wird aber zu stark gestreut, um scharfe Bilder zu liefern.

Die photoakustische Tomografie bietet einen anderen Weg. Kurze Laserpulse dringen ins Gewebe ein; wenn Hämoglobin das Licht absorbiert, erzeugt es Ultraschallwellen, die Sensoren auffangen, um ein 3D-Bild zu rekonstruieren. Sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin absorbieren unterschiedliche Farben, sodass zwei Laser sie unterscheiden können. Das Gerät ist kompakter, billiger und leiser als ein MRT-Scanner und kommt ganz ohne Magnet aus.

Der Haken: Bei Erwachsenen hatte funktionelle photoakustische Bildgebung des Gehirns bisher nur bei Menschen funktioniert, denen nach einer Operation ein Teil des Schädels fehlte. Der Knochen schwächt sowohl das Licht als auch den Schall, verzerrt die Wellen und erzeugt Echos. Und die Signaländerungen, die eine geistige oder motorische Aufgabe hervorruft, betragen nur wenige Prozent – leicht überdeckt von einem Kopf, der sich um den Bruchteil eines Millimeters bewegt.

Eine Schale mit 3.072 Ohren

Yilin Luo, Rui Cao, Manxiu Cui, Lihong Wang und Kollegen am California Institute of Technology haben gemeinsam mit dem Team von Danny Wang an der University of Southern California beide Probleme angepackt.

• Sie haben 3.072 Ultraschallsensoren in eine halbkugelförmige Schale um den Kopf gepackt – die bisher höchste Kanalzahl –, jeden mit eigenem Verstärker. Sie lauschen bei einer niedrigen Frequenz, 1 MHz, die den Knochen leichter durchquert.
• Verglichen mit dem früheren System des Teams beträgt der geschätzte Gewinn beim Signal-Rausch-Verhältnis durch den Schädel etwa das 273-Fache – genug, um einen Schädel auszugleichen, der das Signal ungefähr um das Hundertfache abschwächt.
• Zwei Laser, bei 1.064 und 755 Nanometern, feuern abwechselnd. Jeder Puls liefert ein vollständiges 3D-Bild, 20 Volumen pro Sekunde, ohne bewegliche Teile – also ohne Unschärfe durch Abtasten.
• Jede freiwillige Versuchsperson trug einen individuellen 3D-gedruckten Helm, entworfen anhand eines 3D-Scans ihres Kopfes. Die Kopfbewegung blieb typischerweise innerhalb von etwa 0,1 Millimeter und 0,1 Grad während einer Sitzung von 7,5 Minuten.

An einem menschlichen Schädel, der einem Körper entnommen und mit Gel gefüllt worden war, konnte das System einen darin platzierten, mit Blut gefüllten Schlauch noch sehen, obwohl sein Signal etwa 300-mal schwächer war als außerhalb.

Finger, Lippen und eine Kontrolle mit 7 Tesla

Vier gesunde Männer im Alter von 24 bis 56 Jahren tippten mit den Fingern einer Hand oder spitzten die Lippen, 30 Sekunden an, 30 Sekunden aus. Jeder wurde außerdem als Referenz in einer Hochfeld-MRT mit 7 Tesla untersucht.

• Die Methode verortete die Reaktionen auf das Fingertippen im erwarteten Bewegungs- und Tastareal des Gehirns, auf der Seite gegenüber der bewegten Hand, übereinstimmend mit der MRT.
• Sie unterschied Hand und Mund: In allen 16 Kombinationen aus Person, Hirnseite und Aufgabe lag die photoakustische Karte näher an der MRT-Karte derselben Aufgabe als an der der anderen Aufgabe.
• Sie wiederholte sich: Bei einer Versuchsperson landeten fünf Sitzungen bei zwei Besuchen im Abstand von drei Monaten alle in derselben Region.
• Die beiden Laserfarben bewegten sich während der Aufgabe in entgegengesetzte Richtungen, wie es ihre unterschiedliche Empfindlichkeit für sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut erwarten lässt. Das Licht-und-Schall-Signal bei 1.064 nm folgte dem MRT-Signal eng, mit einer Korrelation von 0,92.

Das Kleingedruckte

Die photoakustischen Karten lagen im Mittel 11,4 Millimeter von denen der MRT entfernt, systematisch zur Hirnoberfläche hin verschoben. Die Autorinnen und Autoren nennen mehrere mögliche Ursachen, die sie noch nicht auseinanderhalten können: Verzerrung durch den Schädel, Registrierungsfehler zwischen den Geräten, eine Verlagerung des Gehirns mit der Körperhaltung und Unterschiede von Sitzung zu Sitzung. Getestet wurden nur vier Teilnehmer, alle Männer, mit einfachen motorischen Aufgaben, und die Haare über dem abgebildeten Bereich wurden rasiert.

Lihong Wang gibt ein finanzielles Interesse an drei Firmen für photoakustische Bildgebung an, die diese Arbeit laut den Autoren nicht unterstützt haben.

Das Team sieht darin eine Plattform, die neben anderen Werkzeugen stehen könnte – elektrischen Ableitungen, Hirnstimulation, Gehirn-Computer-Schnittstellen –, die sich nur schwer mit einem MRT-Magneten kombinieren lassen. Mit kompakteren Lasern hofft es, das Gehirn in natürlicheren Situationen zu untersuchen.