ScaleSurfer: multi-scale anatomical segmentation and parcellation of the human brain

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine komplexe Stadt zu kartieren. Um dies richtig zu tun, benötigen Sie zwei sehr unterschiedliche Perspektiven: Sie müssen nah heranzoomen, um die Risse im Bürgersteig und die exakte Form eines einzelnen Hauses zu sehen (lokale Details), aber Sie müssen auch herauszoomen, um zu verstehen, wie dieses Haus in die Nachbarschaft, den Stadtbezirk und das gesamte Stadtlayout passt (das große Ganze).

Lange Zeit hatten Computer, die versuchten, das menschliche Gehirn aus MRT-Aufnahmen abzubilden, damit zu kämpfen. Sie konnten entweder das eine oder das andere tun, aber beides gleichzeitig präzise zu machen, war wie der Versuch, ein riesiges Puzzle zu lösen, während man eine Augenbinde trägt – es dauerte etwa fünf Stunden, um nur ein einziges Gehirn zu verarbeiten.

Hier kommt ScaleSurfer ins Spiel, ein neues Computerprogramm, das wie ein superintelligenter, multitaskingfähiger Reiseführer für das Gehirn fungiert. So funktioniert es, unter Verwendung einfacher Analogien:

• Das Zwei-Personen-Team: Stellen Sie sich ScaleSurfer als ein Team aus zwei Experten vor, die zusammenarbeiten. Ein Experte ist ein Mikroskop-Nutzer (die „Convolution-Blöcke“), der heranzoomt, um die winzigen, gewundenen Grenzen des Hirngewebes nachzuzeichnen. Der andere Experte ist ein Drohnenpilot (der „Transformer“), der hoch oben fliegt, um die gesamte Landschaft zu sehen und zu verstehen, wie verschiedene Teile miteinander verbunden sind. ScaleSurfer kombiniert diese beiden Ansichten sofort und stellt sicher, dass das Programm genau weiß, wo sich eine winzige Falte befindet und zu welcher großen Region des Gehirns sie gehört.
• Das Geschwindigkeitswunder: Das Beeindruckendste an ScaleSurfer ist seine Geschwindigkeit. Während die alten Methoden fünf Stunden brauchten, um ein einzelnes Gehirn abzubilden, erledigt ScaleSurfer dies in der Zeit, die ein Augenzwinkern dauert (etwa 150 bis 500 Millisekunden). Das ist fast 100.000 Mal schneller. Es ist der Unterschied zwischen dem Warten auf ein langsames Boot, das einen Ozean überquert, und dem Umsteigen in einen Überschalljet.
• Was es misst: Genau wie ein Vermesser, der ein Grundstück vermisst, berechnet ScaleSurfer schnell die „Immobilien-Statistiken“ des Gehirns: wie viel Platz verschiedene Teile einnehmen (Volumen), wie dick die äußere Schicht ist (kortikale Dicke) und wie uneben oder gekrümmt die Oberfläche ist.
• Der Beweis der Funktionalität: Die Forscher haben dieses neue Werkzeug an vielen verschiedenen Personengruppen und verschiedenen Arten von MRT-Scans getestet, und es funktionierte durchweg gut. Sie nutzten es sogar, um einen einfachen, leicht verständlichen „Detektiv“ zu bauen, der spezifische Veränderungen im Gedächtniszentrum des Gehirns (dem medialen Temporallappen) bei Menschen mit Alzheimer-Krankheit im Vergleich zu gesunden Menschen aufspüren konnte.

Warum ist das wichtig?
Weil ScaleSurfer so schnell ist, öffnet es die Tür dazu, die Qualität von Gehirnscans zu prüfen, während der Patient noch in der MRT-Maschine liegt. Anstatt Stunden zu warten, um zu sehen, ob ein Scan unscharf oder schlecht war, könnten Ärzte sofort ein „Alles in Ordnung“ erhalten oder sofort wissen, ob sie ein weiteres Bild aufnehmen müssen. Es verwandelt einen langsamen, mühsamen Prozess in etwas, das fast in Echtzeit geschieht.