Bildgebende Verfahren

Labore zur Aufnahme von Gehirnaktititäten

Durch bildgebende Verfahren, wie Elektroenzephalographie (EEG), Magnetenzophalographie (MEG) oder funktionale Magnetresonanztomographie (fMRT) können die Vorgänge in unserem Gehirn sichtbar gemacht werden. Elektrische Gehirnaktivitäten werden direkt oder indirekt aufgezeichnet und durch ein Computerprogramm interpretiert.


Ultra-Hochfeld Magnetresonanztomografie: 9,4 Tesla MR Ganzkörpersystem

9,4 Tesla MR Ganzkörpersystem

Für Studien am Menschen wurde im Juli 2007 ein MRT-System mit einer Feldstärke von 9.4 Tesla und einem nutzbaren Volumen von 60 cm Durchmesser in Betrieb genommen. Zum Vergleich, die Stärke des Erdmagnetfeldes in Mitteleuropa liegt bei ca. 0,00005 Tesla. Zur Abschirmung des enormen magnetischen Streufeldes, welches sowohl Elektronik als auch die weitere Umgebung beeinflusst, steht der Magnet in einer hochsymmetrischen Abschirmkabine aus 630 Tonnen thermisch behandelten Weicheisenstahl. Der Magnet selbst wiegt dabei 48 Tonnen und hat ohne das für die Ortskodierung notwendige Gradientenrohr einen Bohrungsdurchmesser von 82 cm. Das System hat eine Gradientenstärke von 60 mT/m mit einer Steilheit von 400 T/m/s und ist mit einem Breitband Verstärker für Multikernanregung ausgestattet. Hardware zur Anregung und Aufnahme, wie beispielsweise Radiofrequenz(RF)-spulen und Vorverstärker werden am Institut selbst entwickelt und gebaut. Es ist eines der größten MRT-Systeme für Menschen weltweit.


Ultra-Hochfeld Magnetresonanztomografie: 14,2 Tesla MR Kleintiersystem

14,2 Tesla MR Kleintiersystem

Für Untersuchungen an Kleintieren wurde im August 2007 ein 14,2 Tesla MRT System in Betrieb genommen. Mit einem Nutzvolumendurchmesser von 12 cm ist es dabei das weltweit stärkste zur Verfügung stehende MR-Untersuchungssystem. Der 25 Tonnen schwere Magnet mit einer Bohrung von 26 cm ist in einer 220 Tonnen schweren, thermisch behandeltem Weicheisenstahl-Kabine zur Abschirmung des Streufeldes untergebracht. Der Magnet wurde von Magnex Scientific (Oxford, GB) gebaut, die MR Hardware stammt von der Firma Bruker Biospin aus Karlsruhe. Das System ist mit einer Gradientenstärke von 1 T/m und eine Hochleistungs-Shimsystem mit dynamischen Shimkapazitäten ausgerüstet. Modernste Tierbehandlungs- und Überwachungsverfahren sorgen für das Wohlbefinden der Tiere beim Umgang und den Experimenten für einen hohen Qualitätsstandard.


Klinisches MRT: 3 Tesla MR Ganzkörpersystem

3 Tesla MR Ganzkörpersystem

Neben den beiden großen Magneten steht zudem ein 3,0 Tesla MRT System der Firma Siemens (Magnetom Prisma) zur Verfügung, welches für neurowissenschaftliche Anwendungen und Kooperationen genutzt werden wird. Das System hat einen Nutzdurchmesser von 60 cm und wurde im Juli 2013 in Betrieb genommen. Es hat eine 64-Kanal-Empfangsspule für parallele Bildgebung und ist mit einer Gradientenstärke von 80 mT/m mit einer Steilheit von 200 T/m/s ausgestattet. Zusätzlich verfügt das System über einen zweiten Breitband-Verstärker für die Anregung von Nicht-Protonen-Kernen. Der Scanner wird hauptsächlich für funktionelle MR Studien von Gruppen des Instituts und Kollaborationspartner verwendet.


Ultra-Niederfeld MRT: 

Labor für Ultra-Niederfeld MRT

Ein weiterer Forschungsbereich am Magnetresonanzzentrum ist die Ultraniederfeld Magnetresonanztomographie (ULF MRT). Für Studien an Phantomen und kleinen Tieren wird seit 2015 ein ULF MRT Labor eingerichtet. Anders als bei der konventionellen oder Hochfeld MRT benötigt man keinen Helium gekühlten Magneten. Dafür wird hier ein Helium gekühlter, SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) basierter Breitbanddetektor verwendet, der extrem sensitiv ist. Das ULF MRT System befindet sich deshalb in einer dreischichtigen Abschirmkammer, die in der Lage ist nieder- und hochfrequente Störquellen abzuschirmen.

Das ULF MRT System wurde innerhalb der Abteilung Hochfeld-Magnetresonanz von der Arbeitsgruppe für Ultraniederfield Magnetresonaztomographie entworfen und von der internen Feinmechanik Werkstatt zusammengebaut. Außerdem werden von der Elektronikwerkstatt entworfene und gebaute, speziell auf das System angepasste Verstärker, verwendet.

Bisher werden in diesem Labor neuartige Hyperpolarisationstechniken untersucht, die es ermöglichen sollen, auch bei niedrigen Feldstärken hochaufgelöste Bilder aufzunehmen. Die hierfür benötigten Sequenzen werden mit Labview programmiert und die Signale durch ein National Instruments PXIe System an die entsprechenden Amplifier weitergeleitet.

Spulenlabor

Spulenlabor

Für die Experimente an den Ultrahochfeld Scannern werden spezielle HF-Spulen mit Vorverstärkern und T/R Schaltern benötigt, die in unserem hauseigenen Spulenlabor angefertigt werden. Das Spulenlabor ist mit zwei Netzwerk-Analysatoren, einem Rauschzahl-Analysator, einem Spektrum-Analysator und einer Abschirmkammer ausgestattet.

Zusätzlich stehen verschiedene Softwarepakete für die Simulation von Spulen (XFDTD, Remcom; SEMCAD, Speag; Microwave Studio, CST) und von Vorverstärkern (Microwave Office, Applied Wave Research, El Segundo, CA, USA) zur Verfügung.

LED/Laser-Labor in Kombination mit fMRI

Abbildung 1: Calcium-Recording-Setup
Abbildung 2: Schematische Zeichnung des Zwei-Kanal Calcium Recording Setups mit simultanem fMRI. B. Zeitverläufe der simultanen SSFP fMRI Signale der FP-S1-Region beider Hemisphären und des neuronalen (links) und astrozytären (rechts) Ca2+ Signals nach beidseitiger elektrischer FP Stimulation (3 Hz, 4 s, repräsentative Abbildung mit 2,0 mA). Die mittlere Abbildung zeigt eine farbkodierte BOLD-fMRI-Karte mit beidseitiger FP-S1 Aktivierung.

Das Laser-Labor ist in Kombination mit einem 14,1 T Hochfeld-fMRI Scanner aufgebaut worden und umfasst zwei separate Räume. Im ersten Raum findet die Vorbereitung der Tiere sowie elektrophysiologische Ableitungen und die Aufnahme von Calciumsignalen (Calcium Recording) statt. Der zweite Raum liegt neben dem 14,1T Scanner, sodass der Optical Imaging/Recording Aufbau im Inneren des 14,1T Magnetkerns vorbereitet werden kann. Für die Entwicklung und den Aufbau des multimodalen optischen und fMRI Systems wurde zunächst eine offene Doppelring Transmitterspule entwickelt, um ausreichend Platz im Inneren des 12cm Gradienten zu haben. Diese Transmitterspule wurde dann mit selbstgefertigten Oberflächenspulen (2mm bis 2cm Durchmesser) für Nager ergänzt. Abb. 1 zeigt die erste Generation des optischen Lichtfasersystems das verwendet wird, um GCaMP6-vermittelte Calciumsignale mittels Faseroptik aufzunehmen. Abb. 2 zeigt die zweite Generation eines Systems zur Aufnahme von optischen Signalen (Optical Imaging) mit zwei Kanälen, mit dem gleichzeitig fluoreszierende Calciumsignale und fMRI Signale vom Gehirn von Tieren aufgenommen werden können. 

Zusammen mit der Optogenetik wurde ein Überwachungssystem für physiologische Parameter von Kleintieren während fMRI-Messungen implementiert. Die verwendeten viralen Vektoren werden in erster Linie über die Upenn Vector Core bezogen. Sie wurden entsprechend unseren speziellen Anforderungen entworfen. Wir verwenden drei Lasersysteme von CNIlaser mit 470nm, 590nm und 360nm Wellenlänge. Für simultane Faseroptik-vermittelte Calciummessungen, parallel zu den fMRI Messungen, haben wir unser eigenes optisches Ableit- und Aufnahmesystem entwickelt.

Abbildung 3: Setup für gleichzeitiges Wide-field Optical Imaging und MRT. Oben: Zeichnung des Setups im Inneren des Scannerkerns. Unten: Fotografie des verwendeten Setups.


Für die gleichzeitige Aufnahme von optischen Signalen mittels Weitwinkel-Bildgebung (wide-field Optical Imaging) und MRT-Aufnahmen haben wir ein Optical Imaging System entwickelt, das auf einer speziell angefertigten, magnetfeldresistenten und für wissenschaftliche Zwecke geeigneten CMOS Kamera von PCO (Weilheim, Deutschland) basiert und im Magnetkern verwendet werden kann. Zusammen mit optischen Hochleistungskomponenten, die modifiziert wurden, um während Versuchen mit dem MRT eingesetzt werden zu können, sowie einer integrierten Oberflächenspule, macht es dieses Optical Imaging System möglich, intrinsische optische Signale während fMRI Messungen aufzunehmen (Abb. 3). Darüber hinaus sind auch weitere Anwendungen, wie bildgebende Aufnahmen von Gehirnaktivität unter Verwendung von Calcium- oder Spannungssensoren/-indikatoren möglich.

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