211service.com
Wearable Scanner eröffnet neue Grenzen in der Neurowissenschaft
Ein winziger tragbarer Scanner wurde zum ersten Mal verwendet, um chemische Aktivitäten im Gehirn von ungezügelten Tieren zu verfolgen. Forscher sagen, dass die Technologie das Verständnis von Lernen, Sucht, Depression und anderen Erkrankungen erheblich erweitern könnte, indem sie neurologische Schaltkreise aufdeckte, während die Probanden normale Aufgaben ausführen.
Tragbares PET: In die runde Öffnung dieses Gerätes passt ein Rattenkopf, der von miniaturisierten Detektoren und Elektronik umgeben ist.
Das Gerät wurde für die Verwendung mit Ratten entwickelt – dem wichtigsten Tiermodell, das von Verhaltensneurowissenschaftlern verwendet wird. Aber die Forscher, die das Gerät am Brookhaven National Laboratory entwickelt haben, sagen, es wäre einfach, ein ähnliches Gerät für Menschen zu entwickeln.
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) findet bereits breite Anwendung in der neurowissenschaftlichen Forschung und in der klinischen Behandlung. Es ermöglicht Forschern, die Position radioaktiv markierter Neurotransmitter (der Chemikalien, die Signale zwischen Neuronen übertragen) oder Medikamente im Gehirn zu verfolgen. Bilder der Art und Weise, wie sich Neurotransmitter und Medikamente durch das Gehirn bewegen, können die Prozesse aufdecken, die dem normalen Verhalten wie Lernen sowie Pathologien einschließlich Sucht zugrunde liegen. PET wurde verwendet, um Drogenbindungsstellen im Gehirn von Süchtigen und gesunden Menschen zu kartieren und zu untersuchen, wie sich diese Stellen im Laufe der Zeit und mit der Therapie verändern.
Ein herkömmlicher PET-Scanner ist so groß, dass diese Untersuchungen durchgeführt werden müssen, während die Person in einer großen Röhre liegt. Große Photomultiplier-Röhren verstärken Signale von Gammastrahlen, die von markierten Chemikalien im Gehirn emittiert werden. Die Signale laufen dann durch ein pultgroßes Rack mit Elektronik, die sie verarbeitet und einer bestimmten Region des Gehirns zuordnet. Um bei Tierversuchen gute Messwerte zu erhalten, werden die Probanden in der Regel betäubt oder fixiert. Gemessen wird kein normales Wachverhalten.
Wir haben nur sehr begrenzte Daten darüber, was Gehirne in der realen Welt tun, sagt Paul Glimcher , Professor für Neurowissenschaften, Ökonomie und Psychologie an der New York University. Glimcher war an der Arbeit nicht beteiligt.
Der neue tragbare Scanner wurde entwickelt, um die gleichen Informationen über die Gehirnchemie zu liefern, während sich ein Tier natürlich verhält. Es ist klein und leicht genug, dass eine Ratte es auf dem Kopf tragen kann. [Die Ratte] kann sich frei bewegen, mit anderen Tieren interagieren und gleichzeitig können wir eine 3-D-Karte von beispielsweise Dopaminrezeptoren im gesamten Gehirn erstellen, sagt David Schlyer , ein leitender Wissenschaftler in Brookhaven, der die Arbeit leitete.
Schlyers Gruppe arbeitete jahrelang an der Entwicklung eines Miniatur-PET-Scanners, der von einem sich bewegenden Objekt getragen werden konnte. Das Gerät besteht aus einem Metallring, der an einer Stützstruktur hängt, die ihr Gewicht trägt und der Ratte ermöglicht, sich zu bewegen. Der Kopf der Ratte geht in den Ring, der sowohl Detektoren als auch Elektronik enthält.
Der Schlüssel zur Miniaturisierung des Geräts war laut Schlyer die Integration der gesamten Elektronik für jeden Detektor im Ring auf einem einzigen, spezialisierten Chip. Eine Avalanche-Photodiode ersetzt auch die großen Photomultiplier-Röhren herkömmlicher PET und verstärkt die Signale der markierten Chemikalien im Gehirn. Die Ratten brauchen etwa eine Stunde, um sich zu akklimatisieren, und verhalten sich dann normal, sagt Schlyer. Das Brookhaven-Gerät wird diese Woche im Journal beschrieben Naturmethoden .
Die Brookhaven-Gruppe verwendete den Scanner zum ersten Mal, um die Dopaminrezeptoren im gesamten Gehirn von sich bewegenden Ratten zu kartieren. Andere Gruppen, darunter die von Glimcher, haben zuvor invasive Sonden verwendet, um den Dopaminspiegel in kubikmillimetergroßen Teilen des Gehirns bei ungezügelten Tieren zu untersuchen, waren jedoch nicht in der Lage, das gesamte Gehirn zu untersuchen.
Glimcher beschreibt eines von mehreren Experimenten, die mit dem tragbaren Gerät durchgeführt werden könnten. Forscher wissen, dass Süchtige, die die Reha erfolgreich abgeschlossen haben, einem großen Rückfallrisiko ausgesetzt sind, wenn sie die Orte besuchen, die sie mit der Droge in Verbindung bringen, wahrscheinlich weil ihr Gehirn chemisch neu verdrahtet wurde, um auf diese Assoziationen zu reagieren. Glimcher stellt sich Studien an Ratten vor, die die Chemie des Gehirns kartieren, wenn die Tiere entscheiden dürfen, ob sie ein Medikament einnehmen oder nicht, und wenn sie an einen Ort wandern, an dem sie gelernt haben, mit dem Medikament in Verbindung zu treten.
Wir verstehen nicht wirklich, wie Schaltkreise in [verschiedenen Teilen des Gehirns] bei einer Sucht interagieren, sagt Glimcher. Um überhaupt an einen Punkt zu gelangen, an dem ich Ihnen eine klinische Hypothese aufstellen kann, müssen wir grundlegendere Informationen beschaffen. Dies ist der Durchbruch, der dies möglich machen könnte.
PET wird in Studien mit Menschen nicht so häufig eingesetzt wie andere bildgebende Verfahren aufgrund der geringen, aber erheblichen Strahlenbelastung, die erforderlich ist. Dennoch sagen die Forscher von Brookhaven, dass es möglich wäre, einen tragbaren PET-Scanner herzustellen, der in etwas passt, das einem Football-Helm ähnelt. Joseph Huston, Vorsitzender des Center for Behavioral Neurosciences an der Universität Düsseldorf, sagt, dass die Brookhaven-Gruppe der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft bei der Entwicklung des Geräts einen unglaublichen Dienst erwiesen hat. Die Ratte ist das wichtigste Modell für das Gehirn – alles, was wir über Lernen, Ernährung, Angst und Sex wissen, basiert auf der Arbeit der Ratte.
Schlyer sagt, seine Gruppe habe mit einigen Unternehmen über die Lizenzierung einer kommerziellen Version des Geräts gesprochen. Aber vorerst planen sie vor allem weitere Verhaltensstudien in ihrem Labor. Die Kartierung von Dopamin bei wachen Tieren könnte Einblicke in ein breites Spektrum normaler und pathologischer Zustände geben, wie beispielsweise die mit der Parkinson-Krankheit verbundenen Bewegungsprobleme. Aber Dopamin ist nur eine der vielen Gehirnchemikalien, die die Gruppe kartieren kann. Schlyer sagt, dass sie auch das Sexualverhalten von Ratten untersuchen werden.
Die Gruppe arbeitet außerdem an einem weiteren Instrument, das PET mit Magnetresonanztomographie kombiniert, um umfassendere Informationen über Gewebestruktur und -funktion zu liefern. Sie werden nächsten Monat eine klinische Studie mit diesem Gerät bei Brustkrebspatientinnen beginnen.