Magnetsignale aus dem Hirn

Die schwachen magnetischen Felder unseres Gehirns lassen sich mit ungekühlten Atom-Magnetometern optisch messen.

Die Elektro-Enzephalographie (EEG), bei der Gehirnströme mithilfe von auf die Kopfhaut aufgebrachten Elektroden gemessen werden, ist eine aus der Medizin nicht mehr wegzudenkende Diagnosemethode – z. B. bei Epilepsie-Patienten. Dagegen ist die Magneto-Enzephalographie (MEG), welche die magnetischen Flussdichten aktiver Nervenzellen des Gehirns misst, unter Ärzten nicht annähernd so weit verbreitet. Grund dafür ist die aufwändige und teure Messung der nur wenige Femtotesla schwachen magnetischen Signale. Zu diesem Zweck werden typischerweise supraleitende Spulen und SQUIDs (Superconducting Quantum Interferenz Devices) eingesetzt, die sich zu hunderten in einer Art Helm befinden und dort mit flüssigem Helium gekühlt werden müssen. Das ist teuer. Eine neue Methode von Forschern der Universität Princeton verspricht nun wesentlich einfachere und günstigere Apparate und könnte so der MEG in der Medizin zu neuen Anwendungen verhelfen. Die MEG liefert schon heute – ergänzend zu EEG oder funktionalem Magnetresonanzverfahren (fMRT) – wichtige Hinweise, um z. B. auslösende Hirnareale für epileptische Anfälle zu lokalisieren oder komplexe Schädeloperationen zu planen.

Abb.: Abgeschirmt von äußeren Feldern, lässt sich das Magnetfeld des Gehirns messen, indem man die Polarisationsänderung einer Wolke von Kalium-Atomen detektiert, die sich unter dem Kopf befindet. (Quelle: M. Romalis, Princeton)

Forscher um Michael Romalis von der Princeton University detektieren die schwachen Magnetfelder des Gehirns mithilfe von Kalium-Atomen, die sie bei einer Dampfdichte von 3 × 10 ¹³ Atome pro cm ³ in einer auf 180 Grad Celsius geheizten würfelförmigen Zelle (Kantenlänge 7,5 cm) gefangen halten und durch einen Laserstrahl polarisiert haben. Die Außenseite des Ofens wird zum Kopf des Patienten mithilfe einer einfachen Wasserkühlung gekühlt. Dies alles geschieht ohne störende elektromagnetische Felder, sodass eine Abschirmung gegen äußere Felder leicht möglich ist. Aber wie geschieht nun die Messung der magnetischen Flussdichte?

Selbst die äußerst schwachen magnetischen Felder des menschlichen Gehirns verursachen eine Präzession der Kalium-Atome. Diese wiederum lässt sich recht einfach durch die Polarisationsänderung eines einfallenden zweiten Laserstrahls mithilfe eines Fotodioden-Arrays messen. Das Ergebnis ist eine 30-fach empfindlichere Messmethode als mit SQUIDS. Die räumliche Auflösung beider Methoden ist vergleichbar, das neue Verfahren bietet aber noch einen Verbesserungsspielraum um den Faktor 10.

Einer Anwendung dieses MEG-Verfahrens in der Praxis steht prinzipiell nichts mehr im Wege. Als nächstes wollen die Forscher mit verschiedenen Anordnungen von Pump- und Messlaserstrahl experimentieren, um unterschiedliche Anteile des magnetischen Feldes zu messen bzw. um die Vorteile unterschiedlicher Geometrien miteinander zu vergleichen.

Holger Kock

Quelle: Physik Journal 6 (2007) Nr. 1, S. 15

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  H. Xia et al., Appl. Phys. Lett. 89, 211104 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2392722