Bitte warten...

SENDETERMIN Do, 19.2.2015 | 22:00 Uhr | SWR Fernsehen

Bildgebende Verfahren Alles so schön bunt hier…

Dank Medizintechnik werden die Bilder unseres Gehirns immer detaillierter. Doch was erklären uns diese Bilder tatsächlich?

Fotogalerie aus dem Innern des Kopfes

Sie ist zu einer Art "Pop-Art" der Wissenschaft geworden - die Hirnforschung mit ihren "bildgebenden Verfahren", die bunte Bilder aus dem Inneren des Kopfes liefern. Seit ihrer Entdeckung vor rund 35 Jahren verhalf ihr die Technik der "Magnetresonanztomografie" (MRT) in der Öffentlichkeit zu großer Aufmerksamkeit und vielen Neurowissenschaftlern zu ungewohnter Prominenz. Auf einmal konnten sie ins Innere der menschlichen Schaltzentrale blicken und Bilder von dort blitzten uns aus Zeitschriften, Zeitungen und TV-Magazinen entgegen. In Talkshows sollten Hirnforscher die ganz großen Fragen beantworten: Was ist das Ich? Haben wir einen freien Willen? Was ist das Böse? All dies und noch viel mehr sollte der Blick in die Hirnwindungen zeigen. Zudem sollte er mit höchster anatomischer Präzision angeben, was exakt an welcher Stelle des Gehirns vor sich geht und die Heilung vieler Krankheiten vorantreiben. Doch konnten die Bilder seitdem die hohen Erwartungen einlösen, die vor allem die Forscher selbst in sie setzten? Was wissen wir inzwischen wirklich darüber, wie unser Denkorgan funktioniert?

Überall auf der Welt arbeiten Wissenschaftler mit verschiedenen Verfahren daran, die Aussagekraft der Bilder aus dem Gehirn zu erhöhen um sie - insbesondere im medizinischen Alltag - besser nutzen zu können.
Die Hirnchirurgen der Uniklinik Dresden gehören dazu. Sie dringen bei ihren Operationen täglich ins Innere des menschlichen Denkorgans vor. Seit neuestem können sie den grauen Zellen währenddessen sogar beim Arbeiten zusehen. Unter der Leitung der Professorin und Klinikleiterin Gabriele Schackert entwickelt ein Team aus Neurochirurgen und Ingenieuren an der Uniklinik Dresden ein neues Verfahren, das zeitgleich zur OP Einblicke in die operierten Regionen liefert. Es macht im Gehirn Strukturen sichtbar, deren Lage für die Neurochirurgen bislang unsichtbar war und bringt sie so einem ihrer wichtigsten Ziele näher: Wenn sie Patienten Hirntumore entfernen, wollen sie seltener wichtiges Nervengewebe verletzen.
"Das Faszinierende ist wirklich, dass wir hier erstmals Hirnfunktionen sichtbar machen können, wie zum Beispiel Gefühl, Sprache, oder auch das Sehen", erklärt Dr. Stephan Sobottka, Neurochirurg an der Uniklinik Dresden. "Also bei dem Patienten, den wir heute operieren, haben wir hier einen Tumor, der sehr dicht an der Gefühlsregion liegt, und wir sehen jetzt hier eben genau den Verlauf der Gefühlsregion. Das hilft uns diese Funktionen zu erkennen und dann eben auch unter der Operation zu schonen."

Die Gefühlsregion wird sichtbar

So wollen sie ihren Patienten Empfindungsstörungen oder Lähmungen ersparen.
Um die entsprechenden Hirnregionen zu erkennen, richten die Chirurgen eine spezielle Kamera auf die freigelegte Stelle der Hirnrinde. Operieren sie in einer Region, die für das Gefühl in der Hand verantwortlich ist, reizen sie den Nerv an der Hand mit Elektroden. Vom Finger wird der elektrische Reiz automatisch an die Gefühlsregion in der Hirnrinde weitergeleitet. Sie wird aktiviert und stärker durchblutet. Das bewirkt eine - kaum sichtbare - Farbveränderung.

Farbliche Darstellung von Gehirnaktivitäten

Mit bloßem Auge ist dieser Farbunterschied nicht wahrzunehmen, doch eine spezielle Kamera im OP-Mikroskop zeichnet ihn auf und gibt die Daten an den Computer weiter. Mit Hilfe eines eigens dazu entwickelten Programms macht er die aktivierte Gefühlsregion sichtbar. Bunt markiert im Monitor neben dem OP-Tisch.
"Intraoperative optical imaging" heißt das neue Verfahren, dass sich auch dann anwenden lässt, wenn Tumore in der Nähe der Sehrinde oder Sprachzentrums liegen. Dann zeichnen die Chirurgen die Aktivität in der Hirnrinde auf, während der Patient spricht, oder während Lichtreize einer Lampe auf das Auge treffen.

Wie groß der Nutzen für die Patienten ist, untersuchen die Hirnchirurgen jetzt in drei Studienzentren in Deutschland und den USA. Neue Gefahren birgt die neue Methode nicht, denn sie ist nicht invasiv und wird nur zusätzlich zu den bisher üblichen Technologien angewandt. Stattdessen kann sie während der OP zusätzliche Sicherheit bieten. Doch wie gut sich die Ärzte auf die Bilder verlassen können, zeigt sich erst, wenn das Verfahren bei einer Vielzahl von Patienten erprobt wurde. Und genau dies tun die Dresdner Hirnchirurgen nun: "Ob die Patienten wirklich weniger neurologische Ausfälle nach der Operation haben, das muss erst noch in weiteren Studien jetzt untersucht werden", sagt Dr. Stephan Sobottka. "Die letzte Sicherheit, ob jetzt das was wir sehen in den Bildern exakt dem Areal entspricht, das auch tatsächlich für die Funktion zuständig ist, den Nachweis haben wir bisher nicht."

Geschätzte 100 Milliarden Nervenzellen

Eins der typischen Probleme, mit dem sich überall auf der Welt Hirnforscher abmühen - wie auch Dr. Andreas Horn und seine Kollegen vom Max Plank Institut für Bildungsforschung in Berlin. Schuld ist die Komplexität des Gehirns. Viele seiner Funktionsbereiche sind nicht so klar voneinander abgegrenzt, wie es auf den ersten Blick scheint.
Das Zusammenspiel geschätzter 80 bis 100 Milliarden Nervenzellen - jede davon mit über 1000 Synapsen - ist schwer zu fassen. "Connectom" nennen die Forscher dieses System aller Verknüpfungen eines Gehirns. Weltweit arbeiten Forschergruppen daran das Connectom mit all seinen Verbindungen darzustellen. Sie wollen ergründen wie sich die Schaltkreise organisieren, mit deren Hilfe wir planen, erinnern, streiten oder lieben.
"Bei der Forschung zum Connectom geht es eben vielen Wissenschaftlern darum ganz langfristig gesehen ein Modell des menschlichen Gehirns zu simulieren. Das ist aber natürlich ein sehr futuristischer und gewagter Plan", so Andreas Horn. "Aber kurzfristig geht’s zunächst mal darum die Verschaltungen verschiedener Bereiche besser kennenzulernen und darüber möglicherweise auch Erkenntnisse über Krankheiten und die Entstehung von Krankheiten zu bekommen."

Grafische Darstellung von Nervenverbindungen im Gehirn

Erkenntnisse wünschen die Forscher sich zum Beispiel zur Entstehung von Schizophrenie oder Alzheimer. Doch noch sind die weißen Flecken auf der Landkarte groß. Schon der bloße Aufbau des Gehirns stellt sie immer wieder vor unlösbare Aufgaben: Ihn darzustellen gelang bisher vollständig nur beim Fadenwurm. Der ist 1 Millimeter groß und besitzt ganze 302 Nervenzellen - trotzdem dauerte es 14 Jahre. Der Schaltplan des Menschenhirns - mit vielen Milliarden Nervenzellen - wird also einige Zeit in Anspruch nehmen. Doch jede Untersuchung im Kernspintomografen bringt sie einen Schritt weiter.

Das Team um Andreas Horn analysierte bei seinem Forschungsprojekt dazu erstmals gleichzeitig 1,6 Milliarden Verbindungen innerhalb des Gehirns. Besonders interessierten sie sich dabei für den Ruhezustand, wenn wir tagträumen, träumen oder schlafen. Denn auch wenn das Gehirn keine spezifische Aufgabe löst, wenn es sozusagen im "Autopilot" läuft, leistet es einiges: Es konstruiert unser inneres Modell der Welt, wandert zwischen Vergangenem und Zukünftigem hin und her, spielt unser Leben durch, bewertet, versucht Kommendes zu simulieren, sich darauf vorzubereiten und sich in die Perspektiven anderer hineinzuversetzen. Ganz nebenbei beschäftigt sich das Gehirn so mit einigen seiner wichtigsten Funktionen.

Wie die Aufnahmen einer Wärmebildkamera

Der Ruhezustand ist also keineswegs Leerlauf. Und das will das Team um Andreas Horn auch bildlich sichtbar machen. Mit spektakulären Bildern, die zeigen, wie Aufbau und Funktion des Ruhenetzwerks im Gehirn zusammenhängen: "Die größten Übereinstimmungen zwischen der strukturellen Architektur des Gehirns und dem Informationsfluss haben wir im so genannten "default mode network" gefunden. Das ist das Ruhe-Netzwerk", erklärt andreas Horn. "Und das basiert auf relativ komplexen Berechnungen aus den Daten vom MRT-Scanner. Dadurch kann man solche Bereiche eben erst sichtbar machen, die sieht man auf den normalen MRT-Bildern so nicht."

Doch was genau sieht man? Die farbig visualisierten Daten aus dem MRT wirken wie Kunstwerke. Was können die Forscher wirklich daran ablesen? Andreas Horn rät zur Vorsicht bei Interpretationen: "Es ist im Prinzip, wie wenn man mit einer Wärmebildkamera ganz Deutschland auf einmal ansehen kann, was natürlich großartig ist, man sieht dann einzelne Städte aufleuchten, sieht da ist was los, da ist Aktivität aber man sieht nicht was ist da genau los. Und da liegt natürlich eine Gefahr drin, das dann überzuinterpretieren."
Nicht jede Aktivität ist eindeutig zuzuordnen. Wenn man Aktivität im Sprachareal sähe, so Horn, könne das beispielsweise auch mit der Lösung mathematischer Aufgaben zu tun haben. Nur eins von vielen Beispielen dafür, wie schwer die Daten aus dem Gehirn eindeutig zuzuordnen sind.

Noch versteht die Forschung also längst nicht alles, was sie abbildet - ebenso in Dresden. Deshalb erforschen und entwickeln auch die Neurochirurgen dort den Nutzen ihrer neuen bildgebenden Technologie für die Patienten ständig weiter. Dabei haben sie bereits weitergehende Forschungsziele ins Auge gefasst. Die Technologie soll immer präzisere Erkenntnisse liefern - und dies mittelfristig nicht nur für die Hirnoberfläche, skizziert Dr. Stephan Sobottka die weiteren Ziele: "Wir wissen noch nicht wie dicht wir wirklich an diese funktionellen Areale die wir in der Bildgebung sehen heranoperieren können und wir wüssten auch gerne wie Funktionen aussehen, die in der Tiefe des Gehirns liegen. Die können wir bisher nicht mit dem Verfahren darstellen."

Trotz faszinierender Bilder und immer neuer Techniken, sind viele Rätsel der Neurowissenschaft also noch lange nicht gelöst. Wenn das Gehirn selbst in Zukunft einmal das Gehirn verstehen will, liegt vor den Wissenschaftlern noch immer eine Menge Arbeit, doch die bleibt mit Sicherheit auch weiterhin spannend.