Methoden der funktionellen Bildgebung des Gehirns: PET & fMRT

Stell dir vor, du könntest jemandem beim Denken zusehen. Woher wissen Wissenschaftler eigentlich, welcher Teil unseres Gehirns aufleuchtet, wenn wir Musik hören, Angst haben oder eine Matheaufgabe lösen? Wir können den Schädel schließlich nicht einfach aufklappen und hineinschauen. Genau hier kommen die Methoden der funktionellen Bildgebung des Gehirns ins Spiel.

Die Lösung sind moderne Hightech-Scanner. In dieser Lektion lernst du die zwei wichtigsten Methoden kennen, mit denen Ärzte und Forscher dem Gehirn bei der Arbeit zuschauen: PET und fMRT. Du wirst verstehen, wie sie funktionieren und warum sie uns verraten, wo genau unsere Gedanken entstehen.

Vorwissen

• Zellatmung und Energie: Nervenzellen (Neuronen) benötigen Energie, um Signale weiterzuleiten. Diese Energie gewinnen sie aus Traubenzucker (Glucose) und Sauerstoff aus dem Blut. Beispiel: Wenn ein Gehirnareal besonders aktiv ist, verbraucht es dort lokal mehr Zucker und Sauerstoff.
• Spezialisierte Gehirnareale: Die Großhirnrinde ist in verschiedene Bereiche unterteilt, die unterschiedliche Aufgaben haben. Beispiel: Das Sehen wird im Hinterhauptslappen verarbeitet, während die Sprachproduktion meist in der linken Hemisphäre stattfindet.

Aufgabentyp 1: Die Subtraktionsmethode

Um die Methoden der funktionellen Bildgebung des Gehirns richtig anzuwenden, muss man zuerst das Rauschen herausfiltern. Unser Gehirn schläft nie. Selbst wenn wir mit geschlossenen Augen entspannt auf dem Sofa liegen, feuern Millionen von Nervenzellen. Sie steuern die Atmung, den Herzschlag oder verarbeiten Erinnerungen. Das Gehirn hat also immer eine gewisse Basisaktivität.

Wenn Forscher nun herausfinden wollen, welches Areal speziell für das Sprechen zuständig ist, haben sie ein Problem: Auf dem Scan würde das ganze Gehirn leuchten. Um den gesuchten Bereich zu finden, nutzen sie die Subtraktionsmethode.

Das Prinzip ist einfach: Man macht zuerst einen Scan, während die Person eine Aufgabe löst (z. B. Sprechen). Dann macht man einen zweiten Scan, während die Person ruht. Zieht man nun die Aktivität in Ruhe von der Aktivität bei der Aufgabe ab, bleibt nur die aufgabenspezifische Aktivität übrig.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Führe einen Scan durch, während die Person eine Aufgabe löst.
2. Mache einen zweiten Scan, während die Person ruht.
3. Subtrahiere die Aktivität in Ruhe von der Aktivität bei der Aufgabe.

Eine wichtige Einschränkung:

Die Scanner messen nur den Energieverbrauch. Sie können uns aber nicht sagen, wofür die Energie genutzt wird. Nervenzellen verbrauchen Energie, wenn sie Signale weiterleiten (Erregung), aber sie verbrauchen genauso viel Energie, wenn sie andere Zellen blockieren (Hemmung). Ein leuchtender Fleck auf dem Scan bedeutet also nur „Hier wird gearbeitet“, aber nicht unbedingt „Hier wird ein Signal weitergegeben“. Zudem steht ein einziger Pixel auf dem Bild für zehntausende von Nervenzellen.

Aufgabentyp 2: PET (Positronen-Emissions-Tomografie)

Eine der bekanntesten Methoden der funktionellen Bildgebung des Gehirns ist das PET. Die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) ist ein Verfahren, das den Zuckerverbrauch im Gehirn misst. Aktive Nervenzellen sind hungrig und brauchen viel Zucker (Glucose).

Der Trick der Ärzte: Sie spritzen dem Patienten einen leicht radioaktiven „falschen Zucker“ (einen sogenannten Tracer, z. B. 18F-Fluor-Deoxyglucose). Die hungrigen, aktiven Nervenzellen nehmen diesen Tracer auf. Da es aber kein echter Zucker ist, können sie ihn nicht verdauen. Der Tracer bleibt in der Zelle gefangen und sammelt sich dort an.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Warte, bis der radioaktive Tracer zerfällt und ein Positron ausspuckt.
2. Beobachte, wie das Positron auf ein normales Elektron trifft.
3. Erfasse die Annihilation (Vernichtung) der beiden Teilchen.
4. Messe die zwei entstehenden Lichtblitze (Photonen), die in entgegengesetzte Richtungen davonschießen.

Der Patient liegt währenddessen in einer Röhre, die aus einem Ring von Fotodetektoren besteht. Wenn zwei Detektoren auf gegenüberliegenden Seiten gleichzeitig einen Lichtblitz registrieren, weiß der Computer: Genau auf der Linie zwischen diesen beiden Detektoren muss eine Nervenzelle gerade sehr aktiv sein.

Vor- und Nachteile von PET:

• Vorteile: Die Bilder sind sehr zuverlässig zu interpretieren. Außerdem ist das Verfahren tolerant gegenüber leichten Bewegungen des Patienten.
• Nachteile: Der Patient ist einer geringen radioaktiven Strahlenbelastung ausgesetzt. Zudem sind die Bilder etwas unscharf (geringe räumliche Auflösung) und es dauert relativ lange, bis ein Bild entsteht (schlechte zeitliche Auflösung).

Aufgabentyp 3: fMRT (funktionelle Magnetresonanztomografie)

Die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) kommt völlig ohne radioaktive Strahlung aus. Sie nutzt stattdessen riesige Magnete und Radiowellen, um den Sauerstoffgehalt im Blut zu messen.

Unser Körper besteht zu einem großen Teil aus Wasser. In diesem Wasser befinden sich winzige Wasserstoff-Protonen. Du kannst dir diese Protonen wie winzige Kompassnadeln vorstellen, die normalerweise wild durcheinander zeigen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Zwinge alle Protonen im Körper durch ein starkes Magnetfeld, sich in die gleiche Richtung auszurichten.
2. Sende einen kurzen Radiowellen-Puls aus, der die Protonen aus ihrer Ausrichtung kippt.
3. Messe das Energiesignal, das die Protonen abgeben, wenn sie sich wieder entlang des Magnetfeldes ausrichten.

Wie wird daraus nun ein Bild der Gehirnaktivität? Hier nutzt das fMRT einen genialen biologischen Trick:

Wenn ein Gehirnareal aktiv wird, verbraucht es Sauerstoff. Der Körper reagiert sofort und pumpt eine große Menge an frischem, sauerstoffreichem Blut (arteriell) in diesen Bereich.

Der Clou: Sauerstoffreiches Blut hat andere magnetische Eigenschaften als sauerstoffarmes Blut (venös). Diese unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften verändern die Zeit, die die Protonen für ihre Entspannung (Relaxationsrate) brauchen. Der Scanner erkennt diese winzigen magnetischen Unterschiede und berechnet daraus ein Bild. Aktive Bereiche, die gerade mit frischem Sauerstoff geflutet werden, leuchten auf dem Bildschirm auf.

Vor- und Nachteile von fMRT:

• Vorteile: Es gibt keine radioaktive Strahlenbelastung. Die Methode ist günstiger als PET und liefert schärfere Bilder (bessere räumliche Auflösung) in kürzerer Zeit (bessere zeitliche Auflösung).
• Nachteile: Jede noch so kleine Bewegung des Patienten ruiniert das Bild. Außerdem lassen die Bilder mehr Raum für Fehlinterpretationen, da nur der Blutfluss und nicht die direkte Nervenaktivität gemessen wird.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Subtraktionsmethode: Um aufgabenspezifische Gehirnaktivität sichtbar zu machen, muss immer die Basisaktivität (Ruhezustand) von der Aktivität während der Aufgabe abgezogen werden.
• PET (Positronen-Emissions-Tomografie): Misst den Zuckerverbrauch. Nutzt einen radioaktiven Tracer, der Positronen aussendet. Bei der Kollision mit Elektronen entstehen Lichtblitze, die gemessen werden.
• fMRT (funktionelle Magnetresonanztomografie): Misst den Sauerstoffgehalt im Blut. Nutzt starke Magnetfelder und Radiowellen. Sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut haben unterschiedliche magnetische Eigenschaften.
• Gemeinsame Einschränkung: Beide Verfahren messen die Gehirnaktivität nur indirekt über den Stoffwechsel (Energieverbrauch). Sie können nicht unterscheiden, ob Nervenzellen erregend oder hemmend wirken.