Geschichte der Bildgebung - History of neuroimaging

Die erste Neuroimaging- Technik überhaupt ist die sogenannte "menschliche Kreislaufbalance", die in den 1880er Jahren von Angelo Mosso erfunden wurde und in der Lage ist, die Umverteilung von Blut während emotionaler und intellektueller Aktivität nicht-invasiv zu messen . Dann, in den frühen 1900er Jahren, wurde eine Technik namens Pneumoenzephalographie eingeführt . Dieser Prozess beinhaltete das Ablassen der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit aus der Umgebung des Gehirns und deren Ersatz durch Luft, wodurch die relative Dichte des Gehirns und seiner Umgebung verändert wurde, damit es auf einer Röntgenaufnahme besser sichtbar wurde , und es wurde als unglaublich unsicher angesehen Patienten (Beaumont 8). In den 1970er und 1980er Jahren wurden eine Form der Magnetresonanztomographie (MRT) und der Computertomographie (CT) entwickelt. Die neuen MRT- und CT-Technologien waren deutlich weniger schädlich und werden im Folgenden näher erläutert. Als nächstes kamen SPECT- und PET- Scans, die es Wissenschaftlern ermöglichten, die Gehirnfunktion zu kartieren, da diese Scans im Gegensatz zu MRT und CT mehr als nur statische Bilder der Gehirnstruktur erstellen konnten. Durch das Lernen aus MRT-, PET- und SPECT-Scans konnten die Wissenschaftler eine funktionelle MRT (fMRT) mit Fähigkeiten entwickeln, die die Tür zur direkten Beobachtung kognitiver Aktivitäten öffneten.

Angelo Mosso und seine "menschliche Kreislaufbilanz"

Der Wunsch, den menschlichen Geist zu verstehen, war im Laufe der Jahrhunderte einer der Hauptwünsche der Philosophen. Fragen nach Gedanken, Wünschen usw. haben Psychologen , Informatiker , Philosophen , Soziologen und dergleichen in der neuen Disziplin der Kognitionswissenschaft zusammengeführt . Die nicht-invasive Bildgebung des menschlichen Gehirns hat sich in diesem Zusammenhang als unschätzbar erwiesen.

Das erste Kapitel der Geschichte der Spuren Neuroimaging zurück an die italienischen Neurowissenschaftler Angelo Mosso , die die „menschliche Kreislauf - Balance“ erfunden, das könnte nicht-invasiv die Umverteilung von messen Blut während emotionaler und intellektuellen Aktivität. Doch selbst wenn sie 1890 von William James nur kurz erwähnt wurde , blieben die Details und die genaue Funktionsweise dieser Waage und die Experimente, die Mosso damit durchführte, bis zur jüngsten Entdeckung des Originalinstruments sowie Mossos Berichten von Stefano Sandrone und Kollegen. Bemerkenswerterweise entdeckte und untersuchte Angelo Mosso mehrere kritische Variablen , die in der modernen Neurobildgebung noch relevant sind, wie das „ Signal-Rausch-Verhältnis “, die geeignete Wahl des experimentellen Paradigmas und die Notwendigkeit der gleichzeitigen Erfassung unterschiedlicher physiologischer Parameter .

Frühe Anwendungen der Bildgebung des Gehirns

Mossos Manuskripte sind jedoch seit mehr als einem Jahrhundert weitgehend unbekannt geblieben, und daher dominierten die strukturellen Röntgentechniken das Gebiet der Bildgebung des menschlichen Gehirns . Da das Gehirn fast vollständig aus Weichgewebe besteht, das nicht röntgenopak ist, bleibt es leider für eine normale oder einfache Röntgenuntersuchung im Wesentlichen unsichtbar. Dies gilt auch für die meisten Anomalien des Gehirns, obwohl es Ausnahmen gibt, wie z. B. ein verkalkter Tumor (zB Meningeom , Kraniopharyngeom , einige Arten von Gliomen ); während die Verkalkung in normalen Strukturen wie der Zirbeldrüse, den Plexus choroideus oder großen Hirnarterien indirekt wichtige Hinweise auf das Vorhandensein einer strukturellen Erkrankung im Gehirn selbst geben kann.

Im Jahr 1918 führte der amerikanische Neurochirurg Walter Dandy die Technik der Ventrikulographie ein, bei der Bilder des Ventrikelsystems im Gehirn durch Injektion von gefilterter Luft direkt in einen oder beide Seitenventrikel des Gehirns über ein oder mehrere kleine Trepanlöcher, die in den Schädel gebohrt wurden, gewonnen wurden Lokalanästhesie. Obwohl die Ventrikulographie normalerweise kein schmerzhaftes Verfahren ist, birgt sie für den untersuchten Patienten erhebliche Risiken wie Blutungen, Infektionen und gefährliche Veränderungen des Hirndrucks. Dennoch waren die chirurgischen Informationen, die diese Methode lieferte, oft bemerkenswert präzise und erhöhten die Möglichkeiten und Genauigkeit der neurochirurgischen Behandlung erheblich. Dandy beobachtete auch, dass Luft, die über eine Lumbalpunktion in den Subarachnoidalraum eingeführt wurde, in die Hirnventrikel eindringen und auch die Zerebrospinalflüssigkeitskompartimente um die Basis des Gehirns und über seine Oberfläche zeigen konnte. Diese Technik wurde Pneumoenzephalographie genannt . Es erweiterte den Spielraum für eine präzise intrakranielle Diagnose weiter, jedoch mit ähnlichen Risiken für den Patienten und an sich eine äußerst unangenehme und oft schmerzhafte Tortur.

Entwicklung moderner Techniken

1927 führte Egas Moniz , Professor für Neurologie in Lissabon und Nobelpreisträger für Physiologie oder Medizin 1949, die zerebrale Angiographie ein , mit der sowohl normale als auch abnormale Blutgefäße im und um das Gehirn mit großer Genauigkeit visualisiert werden konnten. Auch diese Technik birgt in ihren Anfängen sowohl unmittelbare als auch langfristige Risiken, von denen viele auf die schädliche Wirkung der zur Injektion in den Kreislauf verwendeten Positivkontrastmittel zurückzuführen sind. Die Techniken wurden in den letzten Jahrzehnten sehr verfeinert, wobei einer von 200 Patienten oder weniger ischämische Folgen des Verfahrens erlitt. Als Ergebnis bleibt zerebrale Angiographie ein wesentlicher Bestandteil der diagnostischen Bildgebung armamentarium der Neurochirurg und zunehmend auch das therapeutischen Arsenals auch im neurointerventional Management von zerebralen Aneurysmen und anderen Blutgefäßläsionen und in einigen Sorten von Gehirntumor .

Computertomographie

Mit dem Aufkommen der computergestützten axialen Tomographie (CAT- oder CT-Scans) standen immer detailliertere anatomische Bilder des Gehirns für Diagnose- und Forschungszwecke zur Verfügung. Die Namen von William H. Oldendorf (1961), Godfrey Newbold Hounsfield und Allan McLeod Cormack (1973) sind mit dieser revolutionären Innovation verbunden, die viel einfachere, sicherere, nicht-invasive, schmerzfreie und (in angemessenem Maße) wiederholbare neurologische -Ermittlung. Cormack und Hounsfield erhielten für diese Arbeit 1979 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin .

Radioaktive Neurobildgebung

Frühe Techniken wie die Xenon- Inhalation lieferten die ersten Blutflusskarten des Gehirns. In den frühen 1960er Jahren von Niels A. Lassen , David H. Ingvar und Erik Skinhøj in Südskandinavien entwickelt , verwendet es das Isotop Xenon-133. Spätere Versionen hatten 254 Szintillatoren, so dass ein zweidimensionales Bild auf einem Farbmonitor erzeugt werden konnte. Es ermöglichte ihnen, Bilder zu konstruieren, die die Gehirnaktivierung durch Sprechen, Lesen, visuelle oder auditive Wahrnehmung und willkürliche Bewegung widerspiegeln. Die Technik wurde auch verwendet, um zB imaginierte sequentielle Bewegungen, mentales Rechnen und mentale räumliche Navigation zu untersuchen.

Kurz nach der Erfindung der CAT begann mit der Entwicklung von Radioliganden die Revolution der funktionellen Bildgebung. Radioliganden bleiben entweder im Blutkreislauf oder dringen in das Gehirn ein und binden an Rezeptoren. Radioliganden sind entweder Einzelphotonen- oder Positronenemitter. So erhielten die Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) und die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ihre Namen. Während das erste menschliche Positronen-Bildgebungsgerät in den 1950er Jahren von Gordon Brownell und William Sweet entwickelt wurde, entwickelten Michel Ter-Pogossian , Edward J. Hoffman und Michael Phelps 1973 den ersten menschlichen PET-Scanner mit hexagonalen Detektoren.

Nach der Arbeit von Marcus Raichle und Mitarbeitern machte die funktionelle Bildgebung mit der Entwicklung von Sauerstoff-15-markiertem Wasser (H 2 15 O oder H2O-15) einen großen Schritt vorwärts . H2O-15 emittiert Positronen und erzeugt Bilder basierend auf dem regionalen Blutfluss im Gehirn. Da aktive Neuronen eine robuste Blutversorgung rekrutieren, ermöglichte die H2O-15-PET den Forschern, regionale Karten der Gehirnaktivität während verschiedener kognitiver Aufgaben zu erstellen. Später verwendete eine gängigere Art der funktionellen Bildgebung auf Basis von PET-Scans FDG , ein Positronen-emittierendes Zuckerderivat, das entsprechend der lokalen Stoffwechselaktivität im Gehirn verteilt wird. Im Gegensatz zur kurzen Halbwertszeit von Sauerstoff-15 (2,25 Minuten) ermöglichte die Halbwertszeit von 110 Minuten von FDG PET-Scans durch Maschinen, die physisch vom Zyklotron entfernt waren, das das Isotop (in diesem Fall Fluor-18) produzierte.

Magnetresonanztomographie

Kurz nach der anfänglichen Entwicklung der CT wurde die Magnetresonanztomographie (MRT oder MR-Scanning) entwickelt. Anstatt Ionisation oder Röntgenstrahlung zu verwenden, verwendet die MRT die Variation der Signale, die von Protonen im Körper erzeugt werden, wenn der Kopf in ein starkes Magnetfeld gebracht wird . Mit der frühen Anwendung der Grundtechnik auf den menschlichen Körper sind die Namen Jackson (1968), Damadian (1972) sowie Abe und Paul Lauterbur (1973) verbunden. Lauterbur und Sir Peter Mansfield erhielten 2003 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für ihre Entdeckungen zur MRT. Zunächst profitierte die strukturelle Bildgebung stärker von der Einführung der MRT als die funktionelle Bildgebung. In den 1980er Jahren fand eine wahre Explosion technischer Verfeinerungen und diagnostischer MR-Anwendungen statt, die es sogar neurologischen Tyros ermöglichten, Hirnpathologien zu diagnostizieren, die nur ein oder zwei Jahrzehnte zuvor bei einer lebenden Person schwer fassbar oder nicht nachweisbar gewesen wären.

Die Wissenschaftler erfuhren bald, dass die großen Veränderungen des Blutflusses, die durch H2O-15-PET gemessen wurden, auch durch MRT abgebildet wurden. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) war geboren. Seit den 1990er Jahren dominiert die fMRT aufgrund ihrer geringen Invasivität, der fehlenden Strahlenbelastung und der relativ breiten Verfügbarkeit das Gebiet der Hirnkartierung.

Physiker haben auch andere MRI-basierten Techniken wie entwickelten arteriellen Spin - Labeling (wo arterielles Blut ist magnetisch markiert , bevor es das Gewebe von Interesse , und die Menge der Markierung tritt in wird gemessen und verglichen mit einer Kontrollaufzeichnung ohne Spin - Labeling) erhaltenen Magnetresonanz Spektroskopie (zur Messung einiger Schlüsselmetaboliten wie N-Acetylaspartat und Laktat im lebenden Gehirn) und Diffusionstensor-Bildgebung (zur Kartierung der weißen Substanzbahnen im lebenden Gehirn). Während strukturelle MRT- und CAT-Scans einen großen Stellenwert in der Medizin haben, sind fMRT und ihre verwandten Techniken immer noch weitgehend der neurowissenschaftlichen Forschung gewidmet. Doch erst vor kurzem begonnen haben Neurologen fMRI zu verwenden zu beginnen klinische Fragen zu beantworten, wie , wie lange nach thrombotischem Schlaganfall ist es sicher und wirksam Blutgerinnsel-auflösenden Medikament wie zu geben Gewebe - Plasminogen - Aktivator (TPA). Ebenso sind PET und SPECT aus der Neuroforschung herausgetreten und werden zunehmend klinisch eingesetzt, um bei der Diagnose und Differenzierung von Demenzerkrankungen ( Demenz ) zu helfen .

Magnetenzephalographie

Die Signale der Magnetenzephalographie (MEG) wurden erstmals 1968 von dem Physiker David Cohen von der University of Illinois gemessen . Später benutzte er einen der ersten SQUID- Detektoren, um erneut MEG-Signale zu messen.

Multimodale Neurobildgebung

Die multimodale Bildgebung kombiniert bestehende Bildgebungstechniken des Gehirns auf synergistische Weise, was eine verbesserte Interpretation von Daten ermöglicht.

Neben der fMRT ist ein weiteres Beispiel für eine Technologie, die es relativ älteren Bildgebungsverfahren des Gehirns ermöglicht, noch hilfreicher zu sein, die Möglichkeit, verschiedene Techniken zu kombinieren, um eine Gehirnkarte zu erhalten. Dies geschieht recht häufig bei MRT- und EEG- Scans. Das elektrische Diagramm des EEG liefert Sekundenbruchteile, während das MRT ein hohes Maß an räumlicher Genauigkeit bietet .

Über den kombinierten Einsatz von MEG und funktioneller Magnetresonanztomographie wurde erstmals 1999 berichtet. Sie kombiniert die räumliche Auflösung der fMRT mit der zeitlichen Auflösung der MEG. Oftmals kann die Nichteindeutigkeit des MEG-Quellenschätzproblems ( inverses Problem ) dadurch gemildert werden, dass Informationen von anderen Bildgebungsmodalitäten als a-priori- Einschränkung einbezogen werden . Anatomisch eingeschränktes MEG (aMEG) verwendet anatomische MRT-Daten als geometrische oder örtliche Einschränkung und als Medium zur Visualisierung von MEG-Ergebnissen. MEG liefert keine strukturellen oder anatomischen Informationen. Daher werden MEG-Daten häufig mit MR-Daten zu einem zusammengesetzten Bild kombiniert, wobei funktionelle Informationen über die entsprechende Anatomie gelegt werden, um eine Aktivierungskarte zu erstellen.

Jüngste Durchbrüche

Die jüngsten Durchbrüche in der nicht-invasiven Bildgebung des Gehirns waren etwas begrenzt, da die meisten von ihnen nicht völlig neu waren; vielmehr verfeinern sie einfach bestehende bildgebende Verfahren des Gehirns. Die fMRT ist ein perfektes Beispiel dafür aus den frühen 1990er Jahren und ist bis heute das beliebteste Verfahren zur Bildgebung des Gehirns, das heute verfügbar ist.

Bei der Neurobildgebung wurden in vielerlei Hinsicht Fortschritte erzielt, und in diesem Abschnitt werden einige der wichtigsten Verbesserungen behandelt, darunter Fortschritte in der Computertechnologie, transkranielle Magnetstimulation und Kernspinresonanz .

Zunächst einmal haben viele der jüngsten Fortschritte nicht mit den eigentlichen Bildgebungsverfahren des Gehirns selbst zu tun, sondern mit unserer Fähigkeit, Computer zur Analyse der Daten einzusetzen. Beispielsweise wurden durch die Erstellung hochauflösender Gehirnkarten und Computertechnologie zur Analyse dieser Karten über verschiedene Zeit- und Wachstumsperioden wesentliche Entdeckungen beim Wachstum des menschlichen Gehirns im Alter von drei Monaten bis zum Alter von fünfzehn Jahren gemacht (Thompson, UCLA ). Diese Art von Durchbruch repräsentiert die Natur der meisten Durchbrüche in der heutigen Neurowissenschaft . Mit der fMRI-Technologie, die Gehirne über das hinaus kartographiert, was wir bereits verstehen, verbringen die meisten Innovatoren ihre Zeit damit, die Daten, die wir bereits haben, zu verstehen, anstatt andere Bereiche der Bildgebung und Kartierung des Gehirns zu untersuchen .

Dies zeigt sich deutlicher in der Tatsache, dass sich Archive der Bildgebung des Gehirns durchsetzen und die Neuroinformatik es Forschern ermöglicht, Tausende von Gehirnen statt nur einiger weniger zu untersuchen (Lynch). Außerdem verallgemeinern und standardisieren diese Archive Formate und Beschreibungen, damit sie für jeden leichter durchsuchbar sind. In den letzten zehn Jahren waren wir in der Lage, Daten zu erhalten, und jetzt ermöglicht es uns unsere Technologie, Erkenntnisse und Forschungen viel einfacher zu teilen. Dies hat auch die Anfertigung von „Gehirnatlanten“ ermöglicht. Brain Maps sind einfach Karten, die zeigen, wie normal funktionierende Gehirne aussehen (Thompson, Bioinformatics).

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist eine neue Innovation in der Bildgebung des Gehirns. Beim TMS wird eine Spule in die Nähe des Kopfes einer Person gehalten, um Magnetfeldimpulse zu erzeugen, die die darunter liegenden Gehirnzellen stimulieren, um jemanden zu einer bestimmten Aktion zu veranlassen. In Kombination mit MRT kann der Forscher damit Karten des Gehirns erstellen, das ganz bestimmte Funktionen ausführt. Anstatt einen Patienten aufzufordern, mit dem Finger zu klopfen, kann die TMS-Spule seinem Gehirn einfach „sagen“, mit dem Finger zu klopfen. Dadurch werden viele der falsch positiven Ergebnisse aus herkömmlichen MRT- und fMRT-Tests eliminiert . Die mit dieser Technologie erhaltenen Bilder weichen geringfügig von den typischen MRT-Ergebnissen ab und können verwendet werden, um das Gehirn jedes Probanden durch Überwachung von bis zu 120 verschiedenen Stimulationen abzubilden. Diese Technologie wurde verwendet, um sowohl motorische als auch visuelle Prozesse abzubilden (Potts-Link unten im TMS). Neben der fMRT kann die Aktivierung von TMS mittels Elektroenzephalographie (EEG) oder Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) gemessen werden .

Kernspinresonanz (NMR) ist die Ableitung der MRI- und fMRI-Technologien, aber in jüngster Zeit wurden Fortschritte erzielt, indem zur ursprünglichen NMR-Technologie zurückgekehrt und einige ihrer Aspekte überarbeitet wurden. NMR hat traditionell zwei Schritte, Signalcodierung und -detektion, und diese Schritte werden normalerweise im selben Instrument durchgeführt. Die neue Entdeckung deutet jedoch darauf hin, dass sich die Verwendung von laserpolarisiertem Xenongas zum „Erinnern“ an codierte Informationen und zum Transport dieser Informationen zu einem entfernten Ort als weitaus effektiver erweisen könnte (Preuss). Die Trennung von Kodierung und Erkennung ermöglicht es Forschern, Daten über chemische , physikalische und biologische Prozesse zu gewinnen, die sie bisher nicht gewinnen konnten. Das Endergebnis ermöglicht es den Forschern, Dinge zu kartieren, die so groß sind wie geologische Kernproben oder so klein wie einzelne Zellen .

Es ist interessant zu sehen, wie sich die Fortschritte zwischen denen aufteilen, die ein vollständig kartiertes Gehirn mithilfe einzelner Neuronen- Bildgebung suchen, und denen, die Bilder von Gehirnen verwenden, während die Probanden verschiedene hochrangige Aufgaben ausführen. Single Neuron Imaging (SNI) verwendet eine Kombination aus Gentechnik und optischer Bildgebung, um winzige Elektroden in das Gehirn einzuführen, um das Feuern eines einzelnen Neurons zu messen. Aufgrund ihrer schädlichen Auswirkungen wurde diese Technik nur bei Tieren angewendet, aber sie hat viel Licht auf grundlegende emotionale und motivationale Prozesse geworfen. Das Ziel von Studien zu Aktivitäten auf höherer Ebene besteht darin, festzustellen, wie ein Netzwerk von Gehirnbereichen bei der Ausführung jeder Aufgabe zusammenarbeitet. Diese Bildgebung auf höherem Niveau ist viel einfacher, weil Forscher leicht Probanden mit einer Krankheit wie Alzheimer verwenden können . Die SNI-Technologie scheint die Möglichkeit der KI zu verfolgen, während die Netzwerk-Sondierungstechnologie eher für medizinische Zwecke gedacht ist.

Verweise

Anmerkungen