Technologie der nächsten Generation für die Hirnforschung
Bei der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) handelt es sich um ein nicht-invasives Verfahren zur Stimulation von Nervenzellen mithilfe von Magnetfeldern. Es wurde bisher in der Forschung und zur Behandlung von psychiatrischen Erkrankungen und Depressionen eingesetzt. Es bietet eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung durch die Anwendung eines sehr starken Magnetfeldimpulses – das 10 000-fache des Erdmagnetfeldes – zur vorübergehenden Unterbrechung der Gehirnaktivität. Die Μagnetoenzephalographie (MEG) ist das präziseste Verfahren zur Messung der Magnetfelder, die durch die elektrische Aktivität im Gehirn erzeugt werden. Bei der MEG werden hochempfindliche Sensoren eingesetzt, die Felder erkennen können, die typischerweise weniger als ein Hundertmillionstel des Erdmagnetfeldes betragen. Obwohl TMS und MEG zur Untersuchung der funktionellen Konnektivität zwischen verschiedenen Hirnregionen kombiniert werden könnten, sind sie nicht miteinander kompatibel.
TMS und MEG kombinieren
Ziel des mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie Maßnahmen durchgeführte Projekt STIMUSURE ist es, diese Einschränkung zu überwinden, indem das erste Gerät entwickelt wird, das TMS und MEG kombiniert. „Die Magnetfelder der TMS stören die hochempfindlichen MEG-Sensoren, wodurch die gleichzeitige Anwendung dieser Verfahren behindert wird“, kommentiert Lari Koponen, Forschungsstipendiat der Marie-Skłodowska-Curie Maßnahmen. Nach Fortschritten bei der Herstellung von Software und Hardware erstellte STIMUSURE einen innovativen Sensor, der den durch TMS erzeugten Spitzenmagnetfeldern standhält und dennoch die vom Gehirn erzeugten schwachen Magnetfelder aufzeichnet. Der Sensor funktioniert nach dem Prinzip des optischen Pumpens, einem Prozess, bei dem Licht die magnetischen Eigenschaften von Atomen manipuliert. Er misst im Wesentlichen die Veränderungen in den Lichtabsorptions- und -emissionsmustern, die proportional zur Stärke des Magnetfelds sind. Optisch gepumpte Magnetometersensoren sind ideal für schwache Magnetfelder und Anwendungen im Bereich des Biomagnetismus, wie z. B. die Messung von Magnetfeldern, die durch neuronale Aktivitäten im Gehirn oder im Herzen entstehen. Wichtig ist, dass sie bei Raumtemperatur funktionieren. Der STIMUSURE-Sensor wurde nach TMS-Impulsen technisch validiert, und beweist, dass es möglich ist, MEG mit gleichzeitiger TMS zu kombinieren.
Technologische Fortschritte
Im Rahmen des Projekts wurde außerdem das erste intrinsische, optisch gepumpte magnetische Gradiometer für den menschlichen Gebrauch entwickelt. Dabei handelt es sich um eine fortgeschrittene Art von Magnetometer, das den Gradienten eines Magnetfeldes und nicht nur dessen absolute Stärke misst. Dieser magnetische Gradiometer ist besonders nützlich, um kleine Veränderungen der Magnetfelder im Raum zu erkennen, die genauere Informationen über die Quelle der Magnetfelder bereitstellen können, wie z. B. neuronale Aktivität im Gehirn oder elektrische Aktivität im Herzen. Es hat sich erwiesen, dass die Interferenz innerhalb des Sensors verringert wird.
Die nächsten Ziele
Obwohl STIMUSURE keine weitere Finanzierung erhielt, um den Sensor von einem Konzeptnachweis zu einem Forschungsinstrument weiterzuentwickeln, ebnen die Projektergebnisse den Weg für zukünftige Forschung. „Die Fortschritte in der Sensortechnologie und die Erstellung von Berechnungsmodellen bilden eine solide Grundlage für die Bewältigung der verbleibenden technischen Herausforderungen“, betont Koponen. Künftige Anstrengungen müssen sich auf die Verfeinerung der TMS-Hardware und die Sicherung der notwendigen Finanzierung konzentrieren, damit diese Innovationen voll zum Tragen kommen können. Die Kombination von TMS und MEG ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer präziseren funktionellen Hirnkartierung und einem besseren Verständnis der Hirnkonnektivität.
Schlüsselbegriffe
STIMUSURE, Gehirn, Sensor, TMS, MEG, transkranielle Magnetstimulation, Magnetoenzephalographie
