Je tiefer wir in die Tiefen des menschlichen Geistes vordringen, desto mehr rückt der Hirnstamm in den Mittelpunkt der Forschung. Diese lebenswichtige Schaltzentrale steuert viele der Kernfunktionen unseres Körpers, vom Schlaf über das Bewusstsein bis hin zur Atmung und Herzfrequenz. Dennoch war es bislang eine Herausforderung, ihn klar darzustellen, da die komplexen Faserbündel der weißen Substanz, die diese Vorgänge steuern, dies erschweren. Herkömmliche Bildgebungsverfahren hatten Schwierigkeiten, detaillierte Darstellungen dieser Fasern zu liefern, sodass Ärzte und Forscher im Unklaren darüber blieben, wie sich diese Bereiche als Reaktion auf Traumata oder Erkrankungen verändern.
In einer gemeinsamen Anstrengung haben Forscher des MIT, der Harvard University und des Massachusetts General Hospital bahnbrechende Fortschritte erzielt. Sie haben ein innovatives KI-gestütztes Tool namens BrainStem Bundle Tool (BSBT) entwickelt, um Licht in diese unerforschte Gehirnregion zu bringen. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, und das Tool ist jetzt öffentlich zugänglich unter GitHub.
Der BSBT entstand aus der Doktorandenforschung von Mark Olchanyi, dem MIT-Absolventen, der die Studie anführte. Er sah die Notwendigkeit, die Organisation der weißen Substanz beim Menschen zu verstehen und wie sie sich bei bestimmten Erkrankungen verschlechtert. Olchanyi und sein Team nutzten die Vorteile der Diffusions-MRT, einer speziellen Bildgebungsmethode, die verfolgt, wie sich Wasser durch die weiße Substanz des Gehirns bewegt, und so die Struktur der Nervenbahnen aufdeckt.
Die Abbildung des Hirnstamms stellte jedoch aufgrund seiner geringen Größe und seiner Nähe zu pulsierenden Flüssigkeiten und sich bewegenden Organen eine große Herausforderung dar. An dieser Stelle kommt das KI-Modell ins Spiel. Es nutzt ein neuronales Faltungsnetzwerk zur Analyse von MRT-Diffusionsscans und erstellt eine probabilistische Karte der Faserbahnen, die in den Hirnstamm hinabreichen. Anschließend geht es in die Tiefe, um acht spezifische Bündel der weißen Substanz im Hirnstamm zu identifizieren.
Damit sich BSBT als zuverlässiges Werkzeug etablieren konnte, musste es strengen Tests und Validierungsverfahren unterzogen werden. Olchanyi trainierte das System anhand von 30 annotierten Diffusions-MRT-Aufnahmen aus dem Human Connectome Project. Die Genauigkeit des Tools wurde anschließend durch einen Abgleich der Ergebnisse mit Daten aus postmortalen Hirndissektionen und ultrahochauflösenden Scans überprüft. Die Zuverlässigkeit von BSBT wurde bestätigt, als es dieselben Faserbündel in wiederholten Scans derselben Personen erfolgreich identifizierte.
Nach der Validierung wurde das System für die Analyse von Scans von Patienten mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen eingesetzt, darunter Alzheimer, Parkinson, Multiple Sklerose (MS) und traumatische Hirnverletzungen (TBI). Das Instrument erwies sich als effizient und unterschied besser zwischen Patienten und gesunden Kontrollpersonen als andere Methoden, was auf seinen potenziellen Einsatz als diagnostisches Hilfsmittel hindeutet.
Ein bemerkenswerter Testfall war der eines 29-jährigen Mannes, der eine schwere Hirnverletzung (TBI) erlitten hatte und sieben Monate lang im Koma lag. Das Verfahren half bei der Darstellung seiner Hirnstammbahnen, die glücklicherweise trotz ihrer Verschiebung nicht durchtrennt waren. Im Laufe der Zeit verfolgte BSBT die Verkleinerung der Läsionen an den Bahnen und deren allmähliche Rückkehr in ihre normale Position, was den Genesungsprozess des Patienten widerspiegelte.
Unter der Leitung von Professor Emery N. Brown, Olchanyis Doktorvater und einem der leitenden Autoren der Studie, haben sie unser Verständnis komplexer Gehirnfunktionen erweitert, indem sie Zugang zu diesem entscheidenden Bereich des Hirnstamms gewonnen haben. BSBT ist wahrhaft bahnbrechend; es stellt einen bedeutenden Fortschritt in der neurowissenschaftlichen Forschung und der klinischen Diagnostik dar. Seine Verfügbarkeit als Open-Source-Software ebnet den Weg für weltweite Studien zur Gesundheit und zu Erkrankungen des Gehirns und macht Untersuchungen des Hirnstamms zugänglicher und tiefgreifender als je zuvor.
Weitere Einzelheiten finden Sie in der Original-Pressemitteilung hier.
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