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Neue MRI-Technik erfasst Gehirnbewegungen in verblüffendem Detail

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Die Technik, die Hirnbewegungen in Echtzeit erfasst, könnte als Diagnosewerkzeug für schwer zu erkennende Erkrankungen eingesetzt werden

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Bilder der Magnetresonanztomographie (MRT) sind in der Regel statisch gedacht. Doch nun berichten Forscher des Mātai Medical Research Institute (Mātai), des Stevens Institute of Technology, der Stanford University, der University of Auckland und anderer Institutionen über ein bildgebendes Verfahren, das das Gehirn in Bewegung in Echtzeit, in 3D und in verblüffender Detailtreue erfasst und damit ein potenzielles Diagnosewerkzeug für die Erkennung schwer zu erkennender Erkrankungen wie obstruktive Hirnstörungen und Aneurysmen darstellt - bevor sie lebensbedrohlich werden.

Die neue Technik, 3D amplified MRI oder 3D aMRI genannt, zeigt pulsierende Hirnbewegungen, die Forschern helfen könnten, Hirnstörungen nicht-invasiv zu visualisieren und bessere Behandlungsstrategien für winzige Verformungen oder Störungen, die das Gehirn verstopfen oder den Fluss der Hirnflüssigkeiten blockieren, zu informieren.

Samantha Holdsworth, Forschungsleiterin am Mātai, Senior Lecturer an der University of Auckland und Principal Investigator am Centre for Brain Research, und Mehmet Kurt, Assistenzprofessor für Maschinenbau am Stevens Institute of Technology, haben nun in Zusammenarbeit mit der Stanford University, der University of San Diego California, der Queens University und der Icahn School of Medicine at Mount Sinai zwei Arbeiten über aMRI veröffentlicht.

Die erste Arbeit, die heute online in Magnetic Resonance in Medicine veröffentlicht wurde, stellt die 3D aMRI-Methode vor und vergleicht sie mit ihrem 2D aMRI-Vorgänger. Die neue Methode führt zu einer verblüffenden Visualisierung der Bewegung des menschlichen Gehirns, die in alle Richtungen zu sehen ist. Die zweite Arbeit, die heute online in Brain Multiphysics veröffentlicht wurde, visualisiert, validiert und quantifiziert sowohl die Amplitude als auch die Richtung der Bewegung des Gehirns im dreidimensionalen Raum. Die Validierung und Quantifizierung stellt sicher, dass die Software-Verarbeitung eine verstärkte Version der realen Bewegung widerspiegelt.

Die Ansätze, über die in den beiden Arbeiten berichtet wird, könnten wichtige klinische Erkenntnisse für eine Reihe von Hirnleistungsstörungen liefern. Zum Beispiel wurde die abnormale Bewegung zweier Bereiche an der Basis des Gehirns, der Pons und des Kleinhirns, als diagnostischer Marker für die Chiari-I-Malformation vorgeschlagen, eine Anomalie, die dazu führt, dass Hirngewebe in den Wirbelkanal hineinragt.

Die 2D-verstärkte MRT wurde von Holdsworth, Mahdi Salmani Rahimi, Itamar Terem und anderen Mitarbeitern in Stanford entwickelt und ermöglicht es der MRT-Bildgebung, die Bewegung des Gehirns auf eine Weise zu erfassen, die zuvor noch nie gesehen wurde. 3D amplified MRI baut auf dieser früheren Arbeit auf, die im Jahr 2016 entwickelt und veröffentlicht wurde. Der aMRI-Algorithmus nutzt eine Methode zur Verarbeitung von Videobewegungen, die von Neal Wadhwa, Michael Rubinstein, Fredo Durand, William Freeman und Kollegen am Massachusetts Institute of Technology entwickelt wurde.

"Die neue Methode vergrößert die mikroskopisch kleinen rhythmischen Pulsationen des Gehirns beim Herzschlag und ermöglicht so die Visualisierung winziger kolbenartiger Bewegungen, die kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares", erklärt Terem, Doktorand in Stanford und Hauptautor der ersten Arbeit. "Die neue 3D-Version bietet einen größeren Vergrößerungsfaktor, der uns eine bessere Sichtbarkeit der Hirnbewegungen und eine höhere Genauigkeit ermöglicht."

3D aMRI des menschlichen Gehirns zeigt winzige Bewegungen des Gehirns mit einer noch nie dagewesenen räumlichen Auflösung von 1,2mm3, was ungefähr der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Die tatsächlichen Bewegungen werden verstärkt (vergrößert, bis zum 25-fachen), um Klinikern und Forschern die Möglichkeit zu geben, die Bewegungen im Detail zu betrachten. Die beeindruckenden Details dieser animierten, vergrößerten Bewegungen können möglicherweise helfen, Anomalien zu identifizieren, wie z. B. solche, die durch Blockaden der Rückenmarksflüssigkeiten, zu denen Blut und Liquor gehören, verursacht werden.

"Wir haben gezeigt, dass 3D aMRI für die Quantifizierung der intrinsischen Bewegung des Gehirns in 3D verwendet werden kann, was impliziert, dass 3D aMRI großes Potenzial hat, als klinisches Werkzeug von Radiologen und Klinikern verwendet zu werden, um die Entscheidungsfindung für die Behandlung des Patienten zu ergänzen", sagte Mehmet Kurt vom Stevens Institute of Technology und Senior-Autor der zweiten Arbeit. "In meinem Labor am Stevens sehen wir in Zusammenarbeit mit Klinikern am Mount Sinai bereits die Vorteile des Einsatzes von Varianten der 3D aMRI-Technik bei einer Vielzahl von klinischen Erkrankungen, darunter Chiari Malformation I, Hydrocephalus und Aneurysmen."

Eine Reihe von Forschungsprojekten, die die neue Bildgebungssoftware nutzen, sind bereits im Gange. Holdsworth sagte: "Wir verwenden 3D aMRI, um zu sehen, ob wir neue Erkenntnisse über die Auswirkungen von leichten traumatischen Hirnverletzungen auf das Gehirn finden können. Sie fügte hinzu: "Eine bereits laufende Studie, eine Zusammenarbeit zwischen Mātai und der University of Auckland, verwendet 3D aMRI zusammen mit Gehirnmodellierungsmethoden, um zu sehen, ob wir eine nicht-invasive Methode zur Messung des Hirndrucks entwickeln können, die in einigen Fällen die Notwendigkeit einer Gehirnoperation überflüssig machen könnte." Dies könnte klinisch wertvoll sein, zum Beispiel bei Kindern mit idiopathischer intrakranieller Hypertonie, die oft eine invasive Hirndrucküberwachung benötigen.

Miriam Sadeng, eine außerordentliche Professorin an der Universität von Auckland in der Abteilung für Anatomie und medizinische Bildgebung, die Ärztin und Autorin beider Arbeiten ist, sagte: "Diese faszinierende neue Visualisierungsmethode könnte uns helfen zu verstehen, was den Flüssigkeitsfluss im und um das Gehirn antreibt. Sie wird es uns ermöglichen, neue Modelle der Funktionsweise des Gehirns zu entwickeln, die uns dabei helfen, die Gesundheit des Gehirns zu erhalten und sie bei Krankheit oder Störung wiederherzustellen."

"Die Validierung der Methode durch computergestützte Modellierung gab uns weitere Zuversicht über die potenziellen Auswirkungen dieser Arbeit", sagte Javid Abderezaei, ein Doktorand in Kurts Labor an der Stevens und Hauptautor auf dem zweiten Papier. "Es ist aufregend zu sehen, dass die dominanten Verschiebungsmuster im gesunden Gehirn qualitativ mit der zugrundeliegenden Physiologie übereinstimmen, was bedeutet, dass jegliche Veränderungen im physiologischen Fluss als Folge einer Hirnstörung sich in den von uns gemessenen Verschiebungen widerspiegeln sollten."

Die Fähigkeit, die Unterschiede in der Hirnbewegung zu sehen, könnte uns helfen, eine Vielzahl von Hirnstörungen besser zu verstehen. In der Zukunft könnte die Technologie auf den Einsatz bei anderen Gesundheitsstörungen im gesamten Körper erweitert werden.

- Diese Pressemeldung wurde vom Stevens Institute of Technology zur Verfügung gestellt