Quantensensoren: Hochpräzise Messungen im bewegten Gehirn
Was passiert bei einem epileptischen Anfall im Gehirn? Wie arbeiten die Nervenzellen nach einer Lähmung durch Schlaganfall? Was geschieht im Kopf von Parkinson-Erkrankten? Bislang war die Untersuchung solcher Fragen schwierig, weil die Patientinnen und Patienten hierfür still halten mussten. Mit der Optisch gepumpten Magnetoenzephalographie (OPMEG) sind nun auch Aufnahmen in Bewegung möglich. Prof. Dr. Dominik Bach, Hertz-Professor für Künstliche Intelligenz und Neurowissenschaften an der Universität Bonn, errichtet nun auf dem Campus des Universitätsklinikums Bonn (UKB) eine solche Forschungsinfrastruktur. Diese wird aus dem EFRE/JTF-Programm der Europäischen Union und der Landesregierung NRW in den nächsten drei Jahren mit fast vier Millionen Euro gefördert.
Das Foto zeigt zwei Probanden einer Studie - des Wellcome Centre for Human Neuroimaging am University College London (UCL) während einer OPMEG-Messung. © Foto: Robert Seymour
Beteiligtes Bernstein Mitglied: Dominik Bach
Im Untergeschoss des Life & Brain-Gebäudes auf dem Campus der Universitätsmedizin Bonn soll die neuartige und zukunftsweisende Forschungsinfrastruktur der Optisch gepumpten Magnetoenzephalographie (OPMEG) entstehen. Wenn Gehirnzellen aktiv sind, dann fließen winzige elektrische Ströme, die Magnetfelder formen. Ein Helm mit Sensoren misst diese Magnetfelder. Die Untersuchung findet in einer mehrere Quadratmeter großen, abgeschirmten Kabine statt. Sie stellt sicher, dass die Messergebnisse nicht durch Außeneinflüsse wie das Erdmagnetfeld verfälscht werden.
„Im Gegensatz zu klassischen Messverfahren wie Kernspintomographie oder traditionelle Magnetoenzephalographie können sich die Personen während der Messung bewegen“, beschreibt Prof. Dr. Dominik Bach den Vorteil des Verfahrens. „Darüber hinaus sind im Vergleich zum EEG viel genauere Messungen möglich.“
Messungen in virtueller Realität
Mit der OPMEG können die Hirnströme bei Untersuchungspersonen in Bewegung gemessen werden. Dabei kann es sich um unwillkürliche Bewegungen von Menschen mit Erkrankungen wie etwa Epilepsie oder Parkinson handeln. Die Forschenden sind dann auf der Suche nach charakteristischen Rhythmen des Gehirns. Weitere Untersuchungen mit gesunden Personen erfassen aber auch gezielte Bewegungen etwa bei der räumlichen Navigation oder bei der Flucht aus simulierten Gefahrensituationen. Prof. Bach und sein Team haben gerade eine OPMEG-kompatible VR-Brille entwickelt, mit der reale Umgebungen in virtueller Realität simuliert werden können.
Eine Untersuchung dauert im Schnitt bis zu anderthalb Stunden. Die Untersuchungsperson bekommt den Messhelm aufgesetzt und je nach Studie weitere Sensoren – wie etwa Puls- oder Bewegungsmesser – angeschlossen. Die Person betritt dann die Kabine und bekommt mehrere Aufgaben, etwa in Form eines Spiels, um bestimmte Hirnareale anzusprechen. Die Testpersonen können sich in der Magnetkabine frei bewegen, haben aber insbesondere während der Pausen auch die Möglichkeit, sich auf einer Sitzgelegenheit auszuruhen. Ein Projektmitglied überwacht während der Messung im Vorraum auf mehreren Monitoren die erhobenen Daten, die später computergestützt ausgewertet werden.
Sensoren nutzen Quanteneffekte
„Die OPMEG erlaubt es auch, Hirnmessung sowie Verhaltens- und Bewegungsstudien miteinander zu kombinieren“, sagt Bach. „Dies war vorher nicht oder nur mit sehr viel niedrigerer Datenqualität möglich.“ Weitere Anwendungsbereiche umfassen etwa die Untersuchung von leichten traumatischen Hirnverletzungen, Schlaganfällen und die Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen. Herzstück der Infrastruktur sind etwa 100 Sensoren, die mit Hilfe von Quanteneffekten winzige Magnetfelder im menschlichen Gehirn messen, die etwa eine Million Mal schwächer als das Erdmagnetfeld sind.
