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Modernste Technik hilft bei der Erforschung des Gehirns
Welcher Teil des Gehirns ist verantwortlich für die Wahrnehmung von Geräuschen? Wo im Hirn produzieren wir unsere Sprache? Was geschieht, wenn wir uns einen Gegenstand vorstellen? Ihr Wissen bezogen die Physiologen zunächst aus der Analyse geschädigter Gehirne, und sie konnten daraus Rückschlüsse ziehen: Bereits 1861 hatte der französische Arzt Pierre Paul Broca beispielsweise einen Patienten beschrieben, der wegen einer Schädigung des linken Stirnlappens nicht mehr richtig sprechen konnte.
Heute stehen mit der Röntgen-Computertomographie (CT), der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der Kernspin-Tomographie drei moderne Verfahren zur Verfügung, welche das Gehirn im gesunden und arbeitenden Zustand analysieren können.
Röntgen-Computertomographie
In den frühen siebziger Jahren eröffnete die Röntgen-Computertomographie (CT) den Wissenschaftlern völlig neue Perspektiven. Erstmals konnten Forscher und Mediziner problemlos menschliches Gewebe betrachten. Die Funktionsweise ist folgende:Wenn Röntgenstrahlen durch ein Gewebe dringen, treten sie -je nach Dicke des Gewebes – mehr oder weniger geschwächt wieder aus. Wird der Körper nacheinander aus vielen Richtungen einer Ebene durchleuchtet, kommen genügend Informationen zusammen, um mit dem Computer ein Abbild der Schichtebenen zu rekonstruieren. Wichtig für diesen Schritt war die Entwicklung leistungsfähiger Rechner.
Die Nachteile dieser Methode liegen auf der Hand: Röntgenstrahlen sind gesundheitlich nicht unbedenklich. Und leider sagt die CT nichts über die Aktivität des Hirns aus. Um dieses Geheimnis weiter zu ergründen, ist die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) entwickelt worden.
Positronen-Emissions-Tomographie
Für dieses Verfahren wird der Versuchsperson radioaktiv markiertes Wasser intravenös gespritzt. Die Radioaktivität wird in einer so geringen Menge injiziert, dass keine Schäden zu befürchten sind; ausserdem ist der Stoff von einer Art, dass er innert weniger Minuten zu einer harmlosen Substanz zerfällt. Nach kurzer Zeit hat sich die Radioaktivität auch im Hirn so verbreitet, dass sie mit einem Detektor-Ring gemessen und vom Computer zu einer grafischen Darstellung in Form eines farbigen Schnittbildes verarbeitet werden kann.
Dieses Verfahren geht davon aus, dass die arbeitenden Gehirnregionen mit mehr Blut versorgt werden und deshalb auch mehr radioaktive Flüssigkeit transportieren. Wenn einer Person nun eine Aufgabe gestellt wird, welche den Einsatz der Motorik erfordert, kann der angeregte Gehirn-Bereich auf dem Bildschirm beobachtet werden. Auf diese Weise hat man beispielsweise die Sprachverarbeitung im menschlichen Hirn untersucht und festgestellt, dass für die Erzeugung eines Verbes zwei Regionen gebraucht werden, während die blosse Reproduktion nur ein Gebiet beansprucht (vgl. Bild).
Kernspin-Tomographie
Nach dem PETist ein weiteres bildgebendes Verfahren entwickelt worden, die Kernspin-Tomographie. Das Prinzip basiert darauf, dass sich Atome in einem Magnetfeld wie Kompassnadeln ausrichten. Zuerst werden die Wasserstoff-Atome im Körper des Patienten in einem starken Magnetfeld gleichgerichtet. Anschliessend werden die ausgerichteten Wasserstoff-Atomkerne durch Radioimpulse gestört. Beim Zurückschwingen in die alte Anfangsposition werden Radiowellen abgestrahlt und gemessen. Der Computer kann aus diesen Daten schliesslich ein dreidimensionales Schnittbild errechnen.
In der Annahme, dass aktivierte Hirnregionen besser durchblutet sind, sind dort auch mehr Sauerstoff transportierende rote Blutkörperchen -sogenanntes Hämoglobin -zu finden. Weil diese geringen Sauerstoff-Unterschiede mit der Kernspin-Tomographie messbar sind, eignet sich das Verfahren auch für die Messung von Hirntätigkeit.
Die Kernspin-Tomographie hat einige Vorzüge:Erstens misst sie den Sauerstoff, welcher natürlich vorhanden ist -man braucht keine signalerzeugenden Substanzen zu injizieren. Zweitens liefert das Verfahren sowohl anatomische wie auch funktionale Informationen bei derselben Person, so dass sich die aktiven Regionen exakt der individuellen Anatomie des Gehirns zuordnen lassen. Drittens ist die räumliche Genauigkeit besser als bei der PET, und viertens lässt sich die Geschwindigkeit des Sauerstoffsignals in Echtzeit darstellen. Schliesslich birgt die Kernspin-Tomographie kaum ein biologisches Risiko, denn die Wirkung des Magnetfeldes hat sich in bisherigen Studien als harmlos erwiesen.
Natürlich hat der wissenschaftliche Fortschritt seinen Preis: Die Geräte für alle drei Methoden kosten bis zu mehreren Millionen Franken, und zudem ist auch ihr Unterhalt sehr teuer.