"Ein 3D-Film des Gehirns in Aktion"

Interview mit Prof Daniel Razansky, Technische Universität München und Helmholtz Zentrum München

08.12.2016

Dabei zusehen, wie Millionen von Nervenzellen im Gehirn miteinander interagieren – für eine lange Zeit war das nur begrenzt möglich. Die bisherigen Techniken können lediglich die obersten Schichten visualisieren oder sie sind zu langsam in der Bildgebung. Aber nun haben Prof. Daniel Razansky und sein Team eine neue Methode zur Visualisierung entwickelt.

Bild: Prof. Daniel Razansky; Copyright: privat

Prof. Daniel Razansky; © privat

Sie nutzen optoakustische Tomographie, um Gehirnaktivitäten optisch darzustellen. Im Interview mit MEDICA.de erklärt Razansky, wie die neue Methode funktioniert und was wir in Zukunft erwarten dürfen.

Prof. Razansky, mit Ihrer neuen Methode kann man die Aktivierung von größeren Nervenverbänden in Echtzeit dreidimensional beobachten. Wofür sind solcherart Beobachtungen notwendig?

Prof. Daniel Razansky: Zurzeit ist das Gehirn das am wenigsten erforschte Organ in unserem Körper. Wir haben hinreichende Kenntnisse über das Herz und die Funktionen der Leber. Aber nur wenig ist bekannt darüber, wie die Aktivität der einzelnen Nervenzellen mit den komplexen Funktionalitäten des Gehirns, wie zum Beispiel Wahrnehmung, Sinne und Gedächtnis, miteinander zusammenhängen. Das Problem ist, dass es sehr schwierig ist, das lebende Gehirn zu beobachten – nicht-invasiv und ohne dessen Lebensfähigkeit oder Funktion zu stören. Wir haben eine neue Methode zur Bildgebung entwickelt, mit er es möglich ist, die Interaktion von Millionen von Nervenzellen im gesamten unversehrten Gehirn zu betrachten.

Welche Methoden wurden dafür bisher verwendet? Wo liegen die Grenzen dieser Methoden?

Razansky: Bei der ältesten Methode werden metallische Elektroden verwendet, die man in das Gehirn einsetzt. Auf diese Weise können elektrische Signale, die aus neuraler Aktivität entstehen, gelesen werden. Zwar ist es möglich, einige hundert oder sogar tausend Elektroden einzusetzen, aber selbst simple Organismen haben Millionen Nervenzellen. Und Menschen besitzen sogar etwa 100 Milliarden Nervenzellen. Daneben gibt es einige weitere biologische Bildgebungsmethoden zum Studium der Gehirnfunktionen. So ermöglicht die optische Mikroskopie zwar schöne Bilder von neuronalen Gruppen, aber sie kann nur die oberflächlichen Schichten des Gehirns visualisieren. Andere Methoden, wie die Magnetresonanztomographie (MRT), können schon das gesamte Gehirn nicht-invasiv darstellen. Aber MRT kann lediglich langsame Veränderungen des Blutflusses in den verschiedenen Hirnregionen zeigen – keine schnellen Aktivitäten von einzelnen Nervenzellen.

Bild: Blau leuchtendes Gehirn, darüber "schweben" weiße Punkte und zwei große blaue Kreise; Copyright: privat

Bei der optoakustischen Bildgebung werden Licht und Klang miteinander vereint. "Hierbei werden kurze Lichtpulse in das Gehirn gesendet, die wiederum kleine Vibrationen generieren, welche mit Ultraschalldetektoren aufgenommen werden. Im Grunde genommen 'hören' wir Licht."; © privat

Sie haben nun eine neue Methode zur Beobachtung entwickelt. Wie funktioniert diese?

Razansky: Im Gegensatz zu anderen Methoden der optischen Mikroskopie können wir in drei Dimensionen tief in das Gehirn schauen. Unsere hybride Bildgebungsmethode nennt sich optoakustische Bildgebung. Das bedeutet, dass Licht und Klang miteinander vereint werden. Hierbei werden kurze Lichtpulse in das Gehirn gesendet, die wiederum kleine Vibrationen generieren, welche mit Ultraschalldetektoren aufgenommen werden. Im Grunde genommen „hören“ wir Licht.

Da wir Ultraschall statt Licht aufspüren, ist der Hauptvorteil unserer Technik, dass man einige Zentimeter tief in lebendes Gewebe blicken kann. Und zwar komplett nicht-invasiv und ohne Schaden anzurichten.

Wie sind Sie auf die Idee gekommen, die optoakustische Bildgebung dazu zu verwenden, um tief in das Gehirn reinzuschauen?

Razansky: Wir arbeiten an der multispektralen optoakustischen Tomographie (MSOT) bereits seit zehn Jahren. Schon bald stellten wir fest, dass das Feld des Neuroimaging wohl den faszinierendsten Bereich für die Einführung von neuen optoakustichen Bildgebungsmethoden bietet. Das liegt vor allem an der unglaublichen Bildgebungsgeschwindigkeit unseres Systems, das verglichen mit den anderen Bioimaging-Methoden beispiellos ist. Im Grunde genommen können wir aufnehmen, was in einem großen Gewebevolumen in Echtzeit auf einer Millisekunden-Skala stattfindet. Stellen Sie sich vor, Sie würden in einem 3D-Kino sitzen und einen Film des gesamten Gehirns in Aktion anschauen!

Bild: Zebrafischgehirn, Fluoreszenzbild (links) und 3D-Bild (rechts); Copyright: privat

Bild eines Zebrafischgehirns: Die Lichtbrechung beim Fluoreszenzbild (links) lässt keine einzelnen Signale zu. Das optoakkustisch erzeugte Bild rechts ermöglicht hochaufgelöste und dreidimensionale Informationen zur Nervenaktivität (hier in Orange) in Echtzeit; © privat

Welche Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus dieser Methode, insbesondere in der Medizin?

Razansky: Bisher haben wir diese vielversprechenden Möglichkeiten in den Hirnen von Kleintieren wie Fischen oder Mäusen demonstriert. Aber wir arbeiten aktiv daran, diese Technologie in bildgebende Anwendungen für das menschliche Gehirn zu übersetzen. Allerdings bezweifle ich, dass wir das gesamte menschliche Gehirn mit unserer Technik beobachten werden können. Der Grund dafür liegt darin, dass die Eindringtiefe des Lichts begrenzt ist. Selbst im Nahinfrarotbereich kann Licht im lebenden menschlichen Gewebe nur in eine Tiefe von einigen Zentimetern wandern. Eine andere größere Beschränkung bildet der menschliche Schädel, da er die Bildqualität stark beeinträchtigt. Aber auch an diesem Problem arbeiten wir zurzeit.

Insgesamt bin ich der festen Überzeugung, dass unsere neue Neuroimaging-Methode dazu beitragen wird, die Kenntnisse der Gehirnfunktionen und der Pathophysiologie zu fördern. Außerdem wird sie die Entwicklung von neuen Therapien, die sich mit neurologischen und neuropsychischen Krankheiten befassen, beschleunigen.

Bild: Olga Wart; © Rolf Stahl

© Rolf Strahl

Das Interview führte Olga Wart.
MEDICA.de