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Das menschliche Gehirn hat Wissenschaftler schon immer fasziniert. Privatdozent Dr. Thomas Gisler vom Fachbereich Physik an der Universität in Konstanz entwickelt mit seiner Gruppe eine neuartige optische Methode, um dem menschlichen Hirn bei der Arbeit zuzuschauen. "Im Gespräch" hat sich bei ihm nach Details erkundigt.
Herr Dr. Gisler, wen wollen Sie ins menschliche Gehirn schauen lassen?
Psychologen und Hirnforscher beispielsweise, welche verstehen wollen, wie das Gehirn Sinneseindrücke verarbeitet, Muster erkennt oder komplexe Bewegungen steuert. Daneben gibt es Anwendungen im Bereich der neurologischen Rehabilitation, wo nach einem Hirnschlag Hirnareale auf neue Aufgaben umtrainiert werden, oder der Neonatologie, wo die Sauerstoffversorgung im Hirn des Frühgeborenen überwacht werden muss.
Herkömmliche bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie haben hier den Nachteil, dass sie die Verlagerung oder Ruhigstellung des Patienten erfordern, was in vielen Fällen nicht möglich ist.
Sie wollen diese Methoden durch optische Techniken ersetzen?
Nein. Optische Techniken sind im Gegensatz zu konventionellen bildgebenden Verfahren kompakt und tragbar, verfügen über hohe Zeitauflösung und Empfindlichkeit auf die Funktion des Gehirns und benötigen keine eingespritzten Kontrastmittel, was sie sehr attraktiv für die obengenannten Anwendungsbereiche macht. Dennoch ist die räumliche Auflösung optischer Methoden derzeit noch wesentlich schlechter als zum Beispiel der Magnetresonanztomographie. Optimal ist sicherlich eine Verbindung konventioneller mit optischen Verfahren. Es ist denkbar, dass in Zukunft die anatomische Information über die Hirnstruktur, welche sich individuell unterscheiden kann, mit herkömmlichen Verfahren vorab einmal gemessen wird und dass diese Information dann zur Auswertung von funktionellen Messungen mittels optischer Methoden verwendet wird. Dieses Vorgehen sollte es erlauben, die Stärken der verschiedenen Techniken optimal ausnutzen und damit zum Beispiel die Strahlenbelastung deutlich verringern, ohne Kompromisse hinsichtlich der Diagnose einzugehen.
Wie sieht Ihr Ansatz aus?
Wir arbeiten mit einem Nah-Infrarotlaser, dessen Licht bis einige Zentimeter ins Gewebe eindringt. Dies reicht, um die Schädeldecke zu überwinden und aus dem gestreuten Licht Information über die Vorgänge in der Hirnrinde zu bekommen.
Wir messen Veränderungen der Blutflussgeschwindigkeit, welche mit der funktionellen elektrischen Aktivität in spezifischen Hirnrindenbereichen einhergehen. Wir machen uns dazu die Interferenz des gestreuten Licht zunutze: Bewegen sich nämlich die roten Blutkörperchen in einem aktivierten Teil der Hirnrinde schneller, so reagiert das gemessene Interferenzmuster quasi als hochempfindlicher Bewegungsmelder. Aus der Messung dieser Blutflussveränderungen an verschiedenen Stellen können wir die Hirnaktivität kartieren. Unsere Methode ist außerordentlich empfindlich auf funktionelle Hirnaktivität, da sich elektrische Aktivität sehr rasch in großen Veränderungen des örtlichen Blutflusses äußern.
Woran arbeiten Sie gerade konkret?
Es geht zum einen darum, die Lokalisation aktivierter Bereiche zu verbessern. Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf der Skipiste im Nebel und versuchen auszumachen, wo die Sonne steht. Wegen der starken Lichtstreuung ist das schwierig - wie es auch schwierig ist, mit Licht aktivierte Zonen im Gehirn zu lokalisieren. Hier wollen wir die räumliche Auflösung der Technik erhöhen, was gleichzeitig ihre Empfindlichkeit erhöhen sollte. Zum anderen versuchen wir in Zusammenarbeit mit Kollegen aus der Psychologie den Zusammenhang von Blutfluss und Aktivität im aktivierten Hirn bei visueller Stimulation besser zu verstehen.
Mit wem arbeiten Sie beim Experimentieren?
Mit erwachsenen Probanden, welche sich freiwillig für unsere Untersuchungen zur Verfügung stellen. Unser primäres Ziel ist es, die Methode für die Untersuchung der Hirnfunktion beim Erwachsenen fit zu machen.
Können Ihre Erkenntnisse auch auf Kinder übertragen werden?
Sicherlich. Zum einen spricht die minimale Strahlenbelastung bei der Untersuchung mit optischen Methoden für den Einsatz bei Kindern. Zum anderen bringen Kinder die für herkömmliche Methoden erforderliche Geduld nicht mit. Hier birgt die Schnelligkeit und einfache Handhabbarkeit optischer Techniken meines Erachtens großes Potential.
Wann wird der erste Mediziner ein Gerät, das auf Ihrer Forschung beruht, einsetzen können?
Wir forschen mittlerweile seit fünf Jahren an der Entwicklung der Technik. Das Interesse aus der Medizin für unsere Methode ist da. Es liegt aber noch einige Entwicklungsarbeit vor uns, um einen Prototypen herzustellen, der einfach bedienbar ist. Ich rechne hier mit weiteren fünf Jahren. Mit einem Prototypen müssen sodann auch umfangreiche klinische Studien durchgeführt werden, um das Gerät in der Praxis zu validieren.
Zur Person:
Thomas Gisler hat 1991 sein Diplom in Chemie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich gemacht, 1995 hat er an der ETH Zürich promoviert (Dr. sc. nat.). Von 1995 bis 1998 hatte Gisler Forschungsaufenthalte an der Princeton University und der University of Pennsylvania. Dabei ging es um Forschung zur Rheologie von Kolloiden und Biopolymeren. Seit 1998 ist Dr. Thomas Gisler am Fachbereich Physik der Universität Konstanz, tätig; er habilitierte sich 2004. Seine derzeitigen Schwerpunkte: Physik der weichen Materie sowie optische Bildgebung von Hirnfunktion. "Mich fasziniert das vielfältige Zusammenwirken unterschiedlicher Disziplinen bei der Untersuchung des hochkomplexen Systems Hirn und die Möglichkeit, durch methodische Entwicklungen zu dessen vertieftem Verständnis beitragen zu können", sagt Dr. Thomas Gisler.
Privatdozent Dr. Thomas Gisler
Quelle: Bild: Universität Konstanz / Pressestelle
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
Privatdozent Dr. Thomas Gisler
Quelle: Bild: Universität Konstanz / Pressestelle
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