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Schemtaische darstellung des Gehirns

Ein Atlas der frühen Gehirnentwicklung

Schon während der Schwangerschaft findet die erste Phase der menschlichen Gehirnentwicklung statt. Das Gehirn verändert sich von einer simplen zu einer komplexen ineinandergreifenden Struktur und zeigt bereits Aktivität. Ein Modell aus Bilddaten könnte helfen, die Diagnostik in den Frühstadien der Gehirnentwicklung zu erleichtern.

ÖAW Young Science 30.07.2013

In einem Gastbeitrag beschreibt die medizinische Informatikerin Eva Dittrich, wie dies geht und welche Vorteile ein solcher Atlas bietet.

Frühe Gehirnentwicklung im Modell

Von Eva Dittrich

Porträt Eva Dittrich

Foto Nelson

Zur Autorin:
Eva Dittrich, geb. 1985, ist Post-Doc am Computational Image Analysis and Radiology Lab der Universitätsklinik für Radiodiagnostik an der Medizinischen Universität Wien. Bereits im Lauf ihres Master-Studiums der Medizinischen Informatik (an der Technischen Universität Wien) hat sie sich auf den Bereich der medizinischen Bildverarbeitung spezialisiert. In ihrem PhD-Studium beschäftigte sie sich mit der Modellierung der fetalen Gehirnentwicklung. Sie war von 2011-2012 Empfängerin eines DOC-fFORTE Stipendiums der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Die Gehirnentwicklung beim Fötus läuft sehr rasch ab. Dabei entwickelt sich das fetale Gehirn von zwei anfangs glatten Gehirnhälften zu einem sehr komplexen Geflecht mit einer Vielzahl von Strukturen an der Hirnrinde.

Bisher wurde die Diagnose von pathologischen Fällen rein visuell durchgeführt. Die Auswertung hängt daher von der subjektiven Betrachtung des Arztes ab und erfordert großen Zeitaufwand. Um charakteristische Merkmale der fetalen Hirnentwicklung zu erkennen und miteinander in Verbindung zu setzen (zum Beispiel bei bestimmten genetischen Erkrankungen), muss ein Werkzeug gefunden werden, das als Basis für neue Auswerteverfahren dient.

Hierfür werden Messungen der klinischen Routinebildgebung verwendet, um spezifische, diagnostisch relevante Eigenschaften von Pathologien aufzudecken und deren Zusammenhang mit externen Einflussfaktoren (wie zum Beispiel Umweltfaktoren oder Lebenswandel) zu untersuchen.

MRT eines Ungeborenen

Eva Dittrich

Bild: Schicht eines fetalen MRT-Bildes eines Fetus der 24. Schwangerschaftswoche als Beispiel für die Vielzahl an Details, die in einer MRT-Aufnahme zu diesem Entwicklungszeitpunkt bereits sichtbar sind. Die Gesamtlänge dieses Fetus (Kopf bis Fuß) beträgt circa 30cm.

Normale vs. pathologische Entwicklung

Magnetresonanztomographie während der Schwangerschaft
Die Magnetresonanztomographie ist ein modernes, bildgebendes Verfahren und ist aufgrund ihres nicht-invasiven Charakters speziell in der Pränataldiagnostik von großer Bedeutung - so zum Beispiel als begleitende Kontrolle bei risikoreichen Schwangerschaften sowie bei der Abklärung von Auffälligkeiten während einer Ultraschalluntersuchung. Generell ist eine MRT ab der 18. Schwangerschaftswoche möglich. Die Aufnahme eines fetalen in vivo-MRT-Bildes dauert weniger als 20 Sekunden, wodurch die Zugabe von Medikamenten zur Bewegungseinschränkung der Mutter oder des Fetus vermieden werden kann.

Literatur:

  • Prayer, D., Brugger, P., Prayer, L., Jan 2004. Fetal MRI: Techniques and protocols. Pediatric Radiology 34 (9), 685–693.
  • Garel, C., 2004. MRI of the Fetal Brain: Normal Development and Cerebral Pathologies. Vol. 1.
  • Dittrich, E., Riklin-Raviv, T., Kasprian, G., Brugger, P., Prayer, D., Langs, G., 2011. [link: www.cir.meduniwien.ac.at]Learning a spatio-temporal latent atlas for fetal brain segmentation. Proceedings of the MICCAI Workshop on Image Analysis of Human Brain Development, 9–16.

ÖAW Young Science:

Der Text ist Teil des Projektes Young Science, im Zuge dessen Gastbeiträge von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erscheinen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen Ö1/science.ORF.at und der Akademie der Wissenschaften.

Aufgrund der schnellen Entwicklung des fetalen Gehirns ist der Vergleich über eine große Gruppe von Individuen wesentlich komplizierter als bei Erwachsenen. Ein gemeinsames Referenzsystem fehlte bisher, und ein Großteil der Studien im Bereich der fetalen Hirnentwicklung wurde daher nur qualitativ durchgeführt, das heißt ausschließlich anhand visueller Begutachtung.

Der Schlüssel zu quantitativen Untersuchungen liegt in einem gemeinsamen Referenzsystem, einem Atlas. Dieser Atlas soll dazu dienen, sowohl die Unterschiede zwischen verschiedenen Feten gleichen Alters zu erfassen, als auch die Entwicklung des Gehirns während der fortschreitenden Schwangerschaft zu modellieren.

Im Atlas, der zugleich ein Computermodell der Hirnentwicklung ist, werden sowohl die Abweichung einzelner Individuen voneinander innerhalb jeder Schwangerschaftswoche als auch die gesamte zeitliche Entwicklung eines Fötus während der Schwangerschaft abgebildet. Der Atlas umfasst also räumliche Veränderungen in Form von Wachstum oder Rückgang einzelner Hirnregionen und zusätzlich auch Informationen über die zeitliche Reifung während der Schwangerschaft. Er ist somit ein vierdimensionaler Atlas: für die drei Dimensionen im Raum und jene der Zeit.

Beispielschnittbilder von fetalen MRT-Bildern, welche die fetale Gehirnentwicklung der Schwangerschaftswochen 18 bis 32 darstellen.

Eva Dittrich

Beispielschnittbilder von fetalen MRT-Bildern, welche die fetale Gehirnentwicklung der Schwangerschaftswochen 18 bis 32 darstellen.

Eva Dittrich

Bild: Beispielschnittbilder von fetalen MRT-Bildern, welche die fetale Gehirnentwicklung der Schwangerschaftswochen 18 bis 32 darstellen.

Lernender Atlas

Im Gegensatz zu geografischen Atlanten können fetale Gehirnatlanten nur mit Unterstützung des Computers aus vielen Beispielen erstellt werden. In diesen Beispielen wurden vorab Subregionen des Gehirns von Ärzten händisch färbig markiert und somit voneinander unterscheidbar gemacht (z.B. Hirnrinde, Hirnventrikel, Graue Substanz, Weiße Substanz, usw.). Dies nennt man Annotierung. Besonders spannend bei der hier vorgestellten Methode ist, dass der Atlas aus nur etwa drei bis fünf ihm vorgegebenen Annotierungen lernt, wie das fetale Gehirn aussieht.

Dabei nützt er zusätzlich die Information einer Vielzahl an Magnetresonanzbildern, bei denen keine färbige Unterteilung vorhanden ist. Diese Grauwertbilder helfen dem Atlas, die natürliche Abweichung in der Gehirnentwicklung einzelner Föten aufzufassen. Parallel dazu projiziert der Atlas die gelernte Form der gesuchten Struktur auf jedes dieser Grauwertbilder, beispielsweise findet er automatisch die Region der Hirnventrikel.

Die Charakteristika der Entwicklung werden also mit zunehmender Genauigkeit durch einen Computeralgorithmus gelernt, anstatt dass Experten sie vorgeben. Damit werden bereits während des "Erstellens" des Atlas' Einsichten in die fetale Entwicklung gewonnen. Basierend auf ausgewählten Bildern mit von einem Arzt eingezeichneten Hirnstrukturen ist es möglich, einen Atlas als Referenzmodell der gewählten Hirnstruktur für alle Schwangerschaftswochen zu erstellen.

Unterstützung des Arztes bei der Diagnose

Der so entstandene Atlas ermöglicht es, Aussagen über den Entwicklungsstatus im Bezug zur jeweiligen Schwangerschaftswoche zu treffen. Man kann damit außerdem feststellen, wie hoch der Anteil der Variabilität innerhalb einer Schwangerschaftswoche zwischen den Individuen ist. Diese Variabilität gibt an, wie gut das Modell die aktuelle Entwicklung beschreiben kann, beziehungsweise wie ähnlich Feten selben Alters zueinander sind. Außerdem ist es möglich, die zeitliche Entwicklung in Form von Wachstum oder Rückgang darzustellen.

Gehirnaufnahmen eines Ungeborenen

Eva Dittrich

Bild: Darstellung der gesunden Entwicklung der Ventrikel (bunt), mit Hirnwasser gefüllten Hohlräumen, im fetalen Gehirn. (Die graue Struktur begrenzt die Hirnoberfläche). Rot zeigt wachsende Regionen an, blau verdeutlicht sich rückbildende Areale.

Der Vorteil dieser Methode ist, dass aufgrund der geringen Anzahl manuell markierter Bilder eine Vielzahl von neuen, "ungesehenen" Fällen automatisch verarbeitet werden kann - sprich: Mit Hilfe dieses Atlas' ist es möglich, automatisch gewünschte Regionen im Bild zu markieren. Diese Verarbeitung spart also Zeit und Kosten. Zusätzlich entsteht ein Referenzwerk aus einem großen Kollektiv an Daten, das ein Mensch in derselben Zeit nie verarbeiten könnte. So kann der Atlas als Grundlage für das Erstellen von Diagnosen von Fehlentwicklungen dienen, da er die gesunde Gehirnentwicklung abbildet und daher Abweichungen pathologischer Fälle aufzeigen kann.

Altersschätzung eines krankhaften Fötus

Im nachfolgenden Beispiel wurde der Atlas als Grundlage zur Schätzung des Alters eines Fötus verwendet. Es handelt sich dabei um einen krankhaften Fall mit einer diagnostizierten Fehlbildung des Gehirns, einer Lissenzephalie, einer Störung in der Entwicklung der Hirnwindungen, aufgenommen in der 24. Schwangerschaftswoche.

Die Entwicklungsstörung äußert sich in einer relativ glatten Oberfläche der Großhirnrinde. In diesem Fall wurde für jeden Punkt der Hirnrinde berechnet, welchem Alter er in dem gesunden Wachstumsmodell entspricht. Somit kann man genau feststellen, welche Regionen des Gehirns in ihrer Entwicklung verzögert sind und folglich jünger geschätzt werden als das tatsächliche Alter von 24 Schwangerschaftswochen.

Aufnahmen eines fetalen Gehirns

Eva Dittrich

Bild: Ansicht des Gehirns eines krankhaften Fötus in der 24. Schwangerschaftswoche von vorne, oben und seitlich (v.l.n.r.). An jedem Oberflächenpunkt der Hirnrinde wurde das Alter basierend auf dem Atlas der gesunden Gehirnentwicklung geschätzt. Die Farbskala (rechts) erläutert, welche neu-geschätzte Schwangerschaftswoche welcher Farbe entspricht. Somit ist es möglich, den Entwicklungsstatus einzelner Hirnregionen zu erhalten.

Mithilfe dieses Ergebnisses erhält ein Arzt eine genauere und quantitative Analyse des Entwicklungsstadiums des Patienten. Der Atlas liefert also eine Basis für zukünftige frühe therapeutische Eingriffe. Pathologien werden bereits im Mutterleib erkannt und können - wenn möglich - behandelt werden.

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