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Arbeitsgruppe Allgemeine Psychologie

Neuroimaging Unit

Originalartikel in Nature Communications

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Prof. Dr. Christoph Herrmann

Department für Psychologie

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  • Großaufnahme von Probandin, dere Kopf unter einer Art weißer Haube verschwindet.

    Um magnetische Signale aus dem menschlichen Gehirn zu empfangen, nutzen Forscher das Verfahren der Magnetenzephalographie (MEG). Hinter der Abdeckung verbergen sich hochempfindlichen Sensoren, die durch flüssiges Helium gekühlt werden. Foto: Lukas Lehmann

  • Vorbereitung für die Hirnmagnetfeldmessung: Florian Kasten befestigt Messsonden an einer speziellen Haube. Foto: Lukas Lehmann

  • Wissenschaftler erläutert der Probandin im Messraum, wie der Versuch abläuft.

    Da Bildschirme die Messungen verfälschen, befindet sich im Messraum ein Spiegelsystem, um Aufgaben für die Probanden auf einen Schirm zu projizieren. Foto: Lukas Lehmann

  • Probandin sitzt im Messgerät inmitten eines vollkommen weißen Raums.

    Der Messraum, in dem sich das MEG-Gerät befindet, besitzt ein eigenes Fundament und ist von einem speziellen Metall eingehüllt. Foto: Lukas Lehmann

  • Wissenschaftler sitzt vor Computerbildschirm.

    Während der Messungen überwacht Florian Kasten die Gehirnwellen der Versuchsperson. Foto: Lukas Lehmann

Die Quellen der Hirnaktivität

Die Nervenzellen des Gehirns erzeugen durch ihre Aktivität extrem schwache Magnetfelder. Oldenburger Psychologen messen diese Wellen mit aufwändigen Methoden – um das Gehirn besser zu verstehen.

Die Nervenzellen des Gehirns erzeugen durch ihre Aktivität extrem schwache Magnetfelder. Oldenburger Psychologen messen diese Wellen mit aufwändigen Methoden – um das Gehirn besser zu verstehen.

Um magnetische Signale aus dem menschlichen Gehirn zu empfangen, müssen Neurowissenschaftler einen immensen Aufwand betreiben: Testpersonen dürfen keinerlei Metall am Körper oder in der Kleidung tragen. Schon Glitzernagellack reicht aus, um die Messungen verfälschen. Auch ein vorbeifahrender Zug in mehreren hundert Metern Entfernung verzerrt die Daten, von elektronischen Geräten ganz zu schweigen. „Die magnetischen Signale der Hirnaktivität liegen im Bereich von einigen Femtotesla, das ist mehr als eine Milliarde Mal schwächer als das ohnehin schon schwache Erdmagnetfeld“, berichtet Dr. Florian Kasten, Postdoktorand in der Arbeitsgruppe Allgemeine Psychologie.

Der Forscher ist diesen kaum messbaren Signalen auf der Spur, um die Wirkungsweise des menschlichen Gehirns besser zu verstehen. Gemeinsam mit Prof. Dr. Christoph Herrmann, dem Leiter der Arbeitsgruppe, und weiteren Kollegen hat der Forscher kürzlich einen Durchbruch dabei erzielt, komplizierte Effekte der nicht-invasiven Hirnstimulation zu verstehen, die durch individuelle anatomische Unterschiede hervorgerufen werden.

Winzige magnetische Schwankungen

Der Schlüssel für derartige Untersuchungen ist ein Gerät, das die winzigen magnetischen Schwankungen auffangen kann – mit dem Verfahren der Magnetenzephalographie (MEG). „Diese Methode liefert ähnliche Daten wie die Elektroenzephalographie, misst also die Aktivität größerer Gruppen von Nervenzellen im Gehirn“, erläutert Kasten. „Sie eignet sich aber besser, um die Quellen der Aktivität genau zu lokalisieren.“ Forscher, die wissen wollen, in welcher Gehirnregion sich bestimmte Prozesse abspielen, verwenden daher MEG-Messungen meist als Ergänzung zur Magnetresonanztomographie (MRT), die wiederum hochauflösende anatomische Bilder erzeugt.

Die Universität verfügt seit einiger Zeit über einen solchen Magnetenzephalographen, der rund drei Millionen Euro gekostet hat und eins von rund zehn vergleichbaren Geräten in Deutschland ist. Der weiße Koloss befindet sich in einem separaten Raum im Forschungsneubau NeSSy auf dem Campus Wechloy. Die Messkabine ruht auf einem eigenen Fundament, das Vibrationen dämpft. Sie wird durch eine schwere, 50 Zentimeter dicke hydraulische Tür verschlossen und ist komplett von einem Spezialmetall umhüllt, das Magnetfelder von außen weitgehend abschirmt. „Diese Maßnahmen sorgen dafür, dass wir in der Kabine ein sehr gleichmäßiges Magnetfeld haben“, erläutert Techniker Helge Ahrens, der das Gerät betreut.

Das Signal der Nervenaktivität

Für Messungen nehmen die Probanden auf einer Sitzfläche Platz. Ihr Kopf verschwindet fast in einem Gebilde, das einer überdimensionalen Trockenhaube ähnelt. Hinter der Umhüllung befindet sich flüssiges, auf wenige Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt gekühltes Helium. Es dient dazu, rund hundert hochempfindliche, supraleitende Sensoren auf die passende Betriebstemperatur zu bringen. Jeder dieser Sensoren ist mit drei verschiedenen Kanälen ausgestattet, die das magnetische Signal der Nervenaktivität messen.

Das MEG-Verfahren wird unter anderem dazu genutzt, neurologische Erkrankungen wie Epilepsie oder Parkinson besser zu verstehen. Daneben findet es auch in anderen Bereichen der Neurowissenschaften Verwendung. Oldenburger Forscher um Herrmann beschäftigen sich beispielsweise mit der elektrischen Hirnstimulation – einem Verfahren, das Nervenzellen in bestimmten Arealen des Gehirns entweder zu verstärkter Aktivität anregen oder ihre Aktivität hemmen soll. Dafür werden Elektroden an der Kopfhaut angebracht, die schwache elektrische Gleichströme oder Wechselströme erzeugen. Mit der sogenannten transkraniellen Wechselstromstimulation können beispielsweise Stärke und Frequenz der elektrischen Hirnaktivität beeinflusst werden. Ziel der Behandlung ist es meist, die Aktivität erkrankter Hirnregionen zu normalisieren. „Bislang waren die Effekte der Hirnstimulation aber meist relativ schwach und sehr variabel“, berichtet Kasten. Kritiker stellten die Wirksamkeit des Verfahrens daher generell in Frage.

Nun hat ein Team um Herrmann und Kasten herausgefunden, wie sich die Wirkung des Verfahrens bei einzelnen Patienten besser vorhersagen lässt. „Das Ergebnis ist ein Meilenstein auf dem Weg zur zukünftigen therapeutischen Anwendung der Methode“, sagt Herrmann. Die Forscherinnen und Forscher stellten die Studie vor kurzem in der Zeitschrift Nature Communications vor.

Anatomische Unterschiede spielen eine wichtige Rolle

Eine wichtige Rolle spielte das MEG: Das Team um Herrmann und Kasten untersuchte, welchen Einfluss individuelle anatomische Unterschiede auf die Wirkung der elektrischen Hirnstimulation haben. Dafür fertigten sie von 40 Probanden zunächst strukturelle Bilder des Gehirns mithilfe des Magnetresonanztomographen der Universität an. So konnten sie Karten des individuellen Stromflusses durch das Gehirn berechnen.

20 der Probanden erhielten eine zwanzigminütige Hirnstimulation, 20 weitere Probanden nur eine Scheinbehandlung. Vor und nach der jeweiligen Behandlung stellten die Forscher mit Hilfe des MEG präzise Karten der Hirnaktivität der Probanden her. Dabei zeigte sich, dass die Hirnstimulation dann eine starke Wirkung erzielt, wenn sich die berechnete Karte des Stromflusses im Gehirn und die Karte der Hirnaktivität bei einer Versuchsperson stark gleichen. Wenn es weniger Zusammenhänge zwischen beiden gibt, wirkt sich die Hirnstimulation entsprechend schwächer aus. Die Resultate erlauben es den Forschern nun, die Effekte der Hirnstimulation besser als bisher vorauszusagen. Von dem Verfahren könnten beispielsweise Patienten mit Schizophrenie oder Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) profitieren.

Prrhyaesse & fv10zKommugmnikationvqm7 (pretvz1sse@uol.dknie) (Stand: 27.11.2019)