Ein magnetischer Blick durch die Schädeldecke

Nichtinvasiv gemessene schnelle Hirnströme zeigen eine Variabilität von Reiz zu Reiz (Zeilen), sowohl in der zeitlichen Abfolge der Aktionspotenziale (Verschiebungen der blauen bzw. roten vertikalen Banden) als auch in ihrer Stärke (Farbintensität), Gunnar Waterstraat, © Charité | Gunnar Waterstraat

Störungen in der Informationsverarbeitung im Gehirn resultieren nicht selten in schwerwiegenden neurologischen Erkrankungen. Langsame Ströme – sogenannte postsynaptische Potenziale – entstehen, wenn Nervenzellen Signale von anderen Nervenzellen empfangen. Feuern sie dagegen selbst und geben damit Informationen an nachgeschaltete Neuronen oder auch Muskeln weiter, verursacht das schnelle Ströme mit einer Dauer von nur einer Tausendstelsekunde, sogenannte Aktionspotenziale. 

Methodisch stellt die Erforschung dieser komplexen Prozesse Forschende vor große Herausforderungen. Bisher mussten zur Messung der schnellen Hirnströme invasiv Elektroden in das Gehirn eingeführt werden. Für die Messung der langsamen Hirnströme haben sich nicht-invasive Technologien mit hoher Zeitauflösung etabliert: die Elektro-Enzephalographie (EEG) und die Magnet-Enzephalographie (MEG). Nun gelang es jedoch einem Team um Dr. Waterstraat und Dr. Rainer Körber von der PT, die MEG-Technologie so empfindlich zu machen, dass sie auch schnelle Hirnströme als Antwort auf einzelne Sinnesreize erkennen kann.

Durch die Kühlung der Magnetfeld-Sensoren in flüssigem Helium auf -269°C und einer Superisolierung, konnte das Eigenrauschen des MEG-Geräts so stark reduziert werden, dass die Technologie um das Zehnfache empfindlicher wurde. Außerdem wurden die Messungen in einer elektromagnetisch abgeschirmten Messkammer der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Institut Berlin, durchgeführt, um Störquellen wie Stromnetze oder elektronische Bauteile auszuschließen.

Dass das neue Instrument tatsächlich in der Lage ist, schnelle Hirnströme zu erfassen, zeigte das Forschungsteam am Beispiel der Reizung eines Armnervs. Dazu wurde bei vier gesunden Probanden ein Nerv am Handgelenk elektrisch stimuliert und der MEG-Sensor unmittelbar über dem Hirnareal positioniert, das für die Verarbeitung von Sinnesreizen der Hand verantwortlich ist. Wie die Forschenden feststellten, ließen sich so Aktionspotenziale einer kleinen Gruppe synchron aktivierter Neurone messen, die in der Hirnrinde als Antwort auf einzelne Stimulationsreize entstanden. Dabei fiel auf, dass die schnellen Hirnströme trotz konstanter Stimulation nicht gleichförmig sind, sondern sich unabhängig von den langsamen Hirnsignalen von Reiz zu Reiz verändern.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben nun die Möglichkeit, einzelne Reizantworten miteinander zu vergleichen, wodurch der neurologischen Forschung die Möglichkeit eröffnet wird, bisher ungeklärte Fragen zu untersuchen. Außerdem könnte das hochempfindliche MEG-System auch zu einem tieferen Verständnis und einer besseren Therapie neurologischer Erkrankungen beitragen. Beispielsweise sind die Epilepsie und das Parkinson-Syndrom unter anderem mit Störungen der schnellen Hirnsignale verbunden.

 

Bild: Nichtinvasiv gemessene schnelle Hirnströme zeigen eine Variabilität von Reiz zu Reiz (Zeilen), sowohl in der zeitlichen Abfolge der Aktionspotenziale (Verschiebungen der blauen bzw. roten vertikalen Banden) als auch in ihrer Stärke (Farbintensität), Gunnar Waterstraat, © Charité | Gunnar Waterstraat