Bessere Hirnkartierung dank Neurobildgebung auf Quantenbasis
Zu einem besseren Verständnis des menschlichen Gehirns zu gelangen, bleibt eine technische und wissenschaftliche Herausforderung. Quantentechnologie könnte es uns jedoch ermöglichen, auf eine nichtinvasive Art noch viel mehr über das Gehirn zu lernen, was sogar eine Revolution im medizinisch-wissenschaftlichen Bereich auslösen könnte. Das von der EU finanzierte Projekt NEURONQ, das an der Ben-Gurion-Universität des Negev, Israel, durchgeführt und koordiniert wird, verfolgt das Ziel, die Bausteine der Technologie zu entwickeln, mit der man schließlich in der Lage sein wird, die neuronale Aktivität abzubilden. Projektkoordinator Professor Ron Folman erklärt, dass sie noch nicht so weit vorangekommen seien, um ein funktionierendes Prototypgerät bauen zu können, sagt aber voraus, dass das in Europa an diesem Thema arbeitende Laborkonsortium innerhalb von wenigen Jahren ein solches Ziel in greifbare Nähe rücken könne. Neues Gerät für Neurobildgebung Schwerpunkt ist die Entwicklung eines Neurobildgebungsgeräts auf Quantenbasis, das der Lage sein wird, die neuronale Aktivität im Gehirn aufzeichnen. Das Gerät soll so empfindlich sein, dass es Aktivitäten auf subneuronaler, neuronaler und Neuronennetzebene aufzeichnen kann. Die Verfügbarkeit eines derartigen Systems würde sich für medizinische Fachkräfte überaus von Vorteil erweisen, da ihnen das Gerät eine große Hilfe dabei sein könnte, schwere neurologische Erkrankungen wie etwa Alzheimer zu erkennen und deren Verlauf nachzuverfolgen. Zudem bekäme die weitere akademische Forschung im Sinne des besseren Verständnisses des menschlichen Gehirns Unterstützung. Man hat dabei zwei Sensortypen im Fokus. Einer könnte von außerhalb des Schädels das lebende menschliche Gehirn kartieren, und der andere würde ein auf einer Oberfläche in sehr geringen Abständen zum Sensor gewachsenes neuronales Netzwerk kartieren, so dass eine sehr hohe räumliche Auflösung möglich wird. Im Einzelnen funktioniert das System unter Ausnutzung eines Diamantdefekts, des sogenannten Stickstoff-Vakanz-Defekts (Nitrogen-Vacancy, NV), in einem ultraempfindlichen Quantenbauelement. Eine Stickstoffleerstelle ist eine innerhalb des Gitters der einen regelmäßigen Diamanten bildenden Kohlenstoffatome eingebettete Verunreinigung. Diese Vorrichtung kann über seine Spinzustände, die unter Einsatz optischer Elektronenspinresonanzen ausgelesen werden können, äußere magnetische und elektrische Felder erfassen. Findet neuronale Aktivität statt findet – oder werden Informationen im Gehirn übertragen – so erzeugt sie ein Magnetfeld. Und dieses Magnetfeld kann das Bauelement erfassen und kartieren. „Die größte Herausforderung besteht darin, für sehr kurze Messzeiten und für sehr kleine Detektionsvolumina extrem hohe Empfindlichkeiten zu erreichen. Da der neuronale Impuls nur eine Millisekunde andauert, müssen wir in der Lage sein, ihn innerhalb dieses Zeitfensters zu erfassen und den Detektor für den nächsten Impuls zurückzusetzen“, erklärt Dr. Armin Biess, Marie-Curie-Stipendiat und leitender Forscher des NEURONQ-Projekts. Im Hinblick auf den zweiten anvisierten Sensortyp fügt er hinzu: „Da jede Nervenzelle nur wenige Mikrometer groß ist, muss jeder Detektor diese Länge haben, so dass ein Array aus Detektoren jeweils das Signal eines einzelnen Neurons erfassen kann. Nur dann werden wir in der Lage sein, das gesamte Netz und seine einzelnen Teile vollständig zu kartieren.“ Vorteile der neuen Verfahren Mit der Entwicklung derartiger Sensoren könnten teure Computertomografie- (CT) und Magnetresonanztomografiegeräte (MRT) durch eine einfache, preiswerte Einrichtung auf Quantenbasis ersetzt werden, welche die Hirnaktivität erfassen kann, ohne sie zu stören. „Das neue Gerät wird hoffentlich nicht die Nachteile der gegenwärtigen Bildgebungsverfahren aufweisen“, kommentiert Dr. Armin Biess. „Magnetresonanztomografen erfordern zum Beispiel starke Magnetfelder, weshalb wir sie bei Patientinnen und Patienten mit Schrittmachern sie nicht nutzen können. Bei Computertomografen müssen wiederum beträchtliche Mengen an Strahlung zum Einsatz kommen.“ Überdies geht das Projektteam davon aus, dass die Technologie unter Umgebungsbedingungen betrieben werden könnte, so dass beispielsweise keine sehr kalten Temperaturen nötig sein werden, wie MRT-Magneten oder SQUID-Sensoren sie brauchen. Die Technik wäre auf diese Weise sowohl einfach zu bedienen als auch kostengünstig, was ein klarer Vorteil für zukünftige Bemühungen in Richtung Kommerzialisierung sein dürfte. Das Projekt endet im Mai 2016. Das NEURONQ-Team befindet sich nun mit anderen europäischen Gruppen im aktiven Austausch darüber, auf welche Weise die nächste Stufe zu erreichen ist und die ersten funktionierenden Modelle eines neuen Geräts zusammenzusetzen sind, das uns ein besseres Verständnis des menschlichen Gehirns verheißt.
Schlüsselbegriffe
NEURONQ, Gehirn, CT, Computertomografie, MRI, Magnetresonanztomografie, Magnetresonanzbildgebung, Neuroimaging, Neurobildgebung, Quantentechnologien, Nervenzellen, Neuronen
