T2 relaxometry for myelin water fraction: an ex vivo brain imaging study

Das menschliche Gehirn ist eine riesige, komplexe Landschaft aus Milliarden von Zellen, aber ein Großteil seiner Struktur beruht auf einer fettigen Substanz namens Myelin. Dieses Material wirkt wie eine schützende Hülle um die Kommunikationsleitungen des Gehirns, ähnlich wie die Kunststoffbeschichtung eines elektrischen Kabels. Wenn diese Isolierung gesund ist, übertragen die Signale schnell und effizient; wenn sie beschädigt ist, wie es bei Erkrankungen wie Multipler Sklerose oder Alzheimer der Fall ist, bricht die Kommunikation zusammen. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler darum gekämpft, dieses Myelin direkt in einem lebenden Menschen zu sehen. Während die Magnetresonanztomographie, oder MRT, Bilder des Gehirns aufnehmen kann, verschwimmen bei Standard-Scans oft die feinen Details dieser fettigen Beschichtung. Forscher haben eine spezielle Technik namens Myelin-Wasser-Bildgebung entwickelt, die versucht, die winzige Menge an Wasser zu messen, das zwischen den Schichten der Myelinscheide gefangen ist. Durch das Zählen dieses spezifischen Wassers können sie abschätzen, wie viel Myelin vorhanden ist. Diese Methode ist jedoch komplex und erfordert eine sehr spezifische, oft schwer zu beschaffende Ausrüstung. Um sicherzustellen, dass diese Messungen genau sind, müssen Wissenschaftler sie gegen den „Goldstandard“ testen, also den direkten Blick auf das Hirngewebe nach dem Tod einer Person.

Ein Forschungsteam der McGill University und des Douglas Mental Health University Institute setzte sich zum Ziel, ein praktisches Problem in diesem Bereich zu lösen. Sie wollten wissen, ob eine weit verbreitete MRT-Sequenz, die sogenannte Turbo-Spin-Echo-Sequenz, Myelin genauso gut messen kann wie eine spezialisiertere, schnellere Sequenz namens Gradienten-Spin-Echo, die nicht jedem Forschungszentrum zur Verfügung steht. Zu diesem Zweck scannten sie keine lebenden Menschen. Stattdessen arbeiteten sie mit vierzig menschlichen Gehirnhälften, die nach dem Tod in einer Formaldehydlösung konserviert worden waren. Diese Gehirne stammten von Personen mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen sowie von solchen ohne bekannte Störungen. Die Forscher platzierten diese konservierten Gehirne in einem leistungsstarken MRT-Scanner und führten zwei verschiedene Arten von Scans an jedem davon durch. Ein Scan nutzte die spezialisierte Gradienten-Spin-Echo-Methode, die etwa sieben Minuten dauert und eine lange Serie von Signalen erfasst. Der andere verwendete die gebräuchlichere Turbo-Spin-Echo-Methode, die etwa zehn Minuten dauert und eine kürzere Serie von Signalen erfasst. Das Ziel war es zu sehen, ob der kürzere, gängigere Scan Ergebnisse liefern konnte, die mit der spezialisierten Methode übereinstimmten, und ob die spezialisierte Sequenz überhaupt so lang sein musste.

Die Forscher prüften zunächst, ob sie den spezialisierten Scan verkürzen konnten, ohne wichtige Informationen zu verlieren. Sie nahmen die vollständigen Daten des spezialisierten Scans, der fünfunddreißig verschiedene Signalmessungen enthielt, und rekonstruierten die Karte mathematisch unter Verwendung nur der ersten vierzehn Messungen. Sie fanden heraus, dass die Ergebnisse fast identisch waren. Die Karten des Myelin-Wassers sahen gleich aus und die Zahlen waren nahezu ununterscheidbar. Dies deutzeugte darauf hin, dass für konserviertes Hirngewebe der sehr lange Scan nicht zwingend notwendig war; eine kürzere Version konnte dieselben Kerndaten liefern. Dies ist ein bedeutender Befund, da es bedeutet, dass Forscher potenziell Zeit sparen oder diese gesparte Zeit nutzen können, um andere Teile des Scans zu verbessern.

Als Nächstes verglich das Team die Ergebnisse des spezialisierten Scans mit den Ergebnissen des gängigen Turbo-Spin-Echo-Scans. Sie stellten fest, dass beide Methoden Karten erzeugten, die in ihrem Gesamtmuster sehr ähnlich aussahen. Bereiche mit hohem Myelingehalt zeigten sich in beiden Scans als hoch, und Bereiche mit niedrigem Myelingehalt zeigten sich in beiden als niedrig. Die Zahlen waren jedoch nicht exakt gleich. Der spezialisierte Scan meldete konsequent höhere Mengen an Myelinwasser als der gängige Scan. Tatsächlich neigte der gängige Scan dazu, weniger Myelinwasser und mehr des Wassers zu melden, das sich in den Zwischenräumen der Zellen befindet. Die Forscher erkannten, dass die beiden Maschinen nicht nur unterschiedliche Dinge maßen, sondern dass sie dasselbe Signal auf leicht unterschiedliche Weise in verschiedene Kategorien sortierten. Die spezialisierte Maschine war besser darin, die winzige Menge Wasser, die im Myelin gefangen ist, von dem Wasser in der Umgebung zu trennen, während die gängige Maschine bei dieser Trennung etwas weniger präzise war.

Trotz dieser Unterschiede in den exakten Zahlen waren die beiden Methoden stark miteinander verknüpft. Die Forscher fanden heraus, dass sie, wenn sie das Ergebnis des gängigen Scans kannten, mithilfe eines Computermodells mit hoher Genauigkeit vorhersagen konnten, was der spezialisierte Scan gefunden hätte. Sie entwickelten ein Modell, das das vollständige Signalmuster des gängigen Scans betrachtete, nicht nur die Myelin-Zahl, und nutzte dies, um das spezialisierte Ergebnis zu schätzen. Dieses Modell funktionierte sehr gut und konnte die detaillierten Karten des spezialisierten Scans unter Verwendung der Daten des gängigen Scans erfolgreich rekonstruieren. Dies bedeutet, dass selbst wenn die beiden Maschinen unterschiedliche Rohzahlen liefern, die enthaltenen Informationen tief miteinander verwandt sind. Ein Forscher, der die gängige Maschine verwendet, könnte immer noch ein sehr gutes Bild der Myelin-Gesundheit erhalten, sofern er die richtigen mathematischen Werkzeuge zur Übersetzung der Ergebnisse nutzt.

Die Studie untersuchte auch, wie die Zeit, die die Gehirne in der Konservierungsflüssigkeit verbrachten, die Messungen beeinflusste. Sie fanden heraus, dass sich die Messwerte umso mehr veränderten, je länger das Gehirn in der Flüssigkeit verblieb. Beide Scanning-Methoden zeigten einen Anstieg des berechneten Myelinwassers mit zunehmender Konservierungszeit. Dies bedeutet nicht, dass das Gehirn mehr Myelin gewann; vielmehr veränderten die chemischen Prozesse durch das Konservierungsmittel das Verhalten des Wassers, sodass es so aussah, als gäbe es mehr Myelinwasser, als tatsächlich vorhanden war. Der spezialisierte Scan reagierte etwas empfindlicher auf diese Veränderung als der gängige Scan, aber beide zeigten denselben Trend. Dies verdeutlicht, dass bei der Untersuchung konservierter Gehirne die Zeit seit dem Tod und die Zeit in der Konservierung entscheidende Faktoren sind, die berücksichtigt werden müssen, da sie die Zahlen auf eine vorhersehbare Weise verschieben können.

Letztendlich bietet diese Arbeit einen klaren Weg für die Untersuchung der Isolierung des Gehirns nach dem Tod. Sie zeigt, dass der spezialisierte, schwer zugängliche Scan nicht der einzige Weg ist, um einen guten Blick auf das Myelin zu erhalten. Der gängigere, weit verbreitete Scan kann die wesentlichen Muster erfassen und kann mit Hilfe moderner Computermodelle so angepasst werden, dass er den spezialisierten Ergebnissen entspricht. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die beiden Methoden zwar ohne Anpassung nicht austauschbar sind, aber tief miteinander verbunden sind. Der gängige Scan hält den Schlüssel zum spezialisierten Scan bereit, was es Wissenschaftlern ermöglicht, mit zugänglicherer Ausrüstung die Struktur des Gehirns mit einem Detailgrad zu untersuchen, der zuvor als Voraussetzung für seltene und teure Werkzeuge galt. Dies öffnet die Tür für mehr Labore, zu unserem Verständnis von Hirnerkrankungen beizutragen, indem sie Daten verwenden, die über verschiedene Studien hinweg konsistent und vergleichbar sind.