4.9 moderne Medizin & Physiologie

Im 19. Jahrhundert hatte die Anatomie einen Punkt erreicht, der medizinische Künstler so feine Zeichnungen anfertigen ließ, dass die modernen Chirurgen noch davon profitierten. Doch es gab immer eine Grenze: Es war eine Sache, ein totes Gehirn zu sezieren – und eine ganz andere, einem lebenden Gehirn bei der Arbeit zuzusehen. Im späten 19. Jahrhundert und das ganze 20. Jahrhundert hindurch gibt es einige bemerkenswerte Versuche, das Gehirn zu untersuchen, ohne es dem Besitzer zu entnehmen: Zuerst erfindet Wilhelm Konrad Roentgen 1895 die Roentgenuntersuchung. Als bemerkenswertes Werkzeug für Ärzte und Forscher, erweist es sich als wenig hilfreich bei der Untersuchung des weichen Gehirns. 1972 fügte Godfrey Hounsfield den Computer zur Roentgenuntersuchung hinzu und entwickelte so die Computertomographie – den CT (oder CAT) – bei welchem die vielen Details zu einer sehr detaillierten dreidimensionalen Darstellung zusammengesetzt werden.

Mit einer ganz anderen Herangehensweise entwickelte Hans Berger 1929 das erste Elektroenzephalogramm (EEG). 1932 baute Jan Friedrich Tonnies die erste moderne Version mit durchlaufendem Papier und vibrierenden Stiften. Das EEG zeichnet minutiös die elektrisch koordinierten Impulse zahlreicher Neuronen auf der Oberfläche des Kortex auf. Es war nur eine Frage der Zeit, bis Forscher den Computer in die Gleichung einbrachten

1981 entwickelt das Team bestehend aus Phelps, Hoffman und TerPogossian den ersten PET-Scan. Der PET-Scanner ( Positronen-Emissions-Tomographie ) als bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin funktioniert folgendermaßen: Der Arzt injiziert ein Radiopharmakon wie etwa radioaktive Glukose (das ist Zuckerwasser) in den Blutkreislauf des Patienten. Der Apparat zeichnet dann den relativen Zerfall auf – also die Verwendung der Glukose – und zwar in verschiedenen Bereichen des Gehirns. Der Computer erstellt ein Bild, das es den Forscher erlaubt festzustellen, welche Bereiche des Gehirns am aktivsten sind, während wir verschiedene geistige Übungen durchführen, also wenn wir uns etwas ansehen, kopfrechen, uns etwas vorstellen oder Musik hören!

1937 stellte Isidor I. Rabi, ein Professor an der Columbia University, fest, dass Atome sich dadurch verraten, dass sie Radiowellen aussenden, nachdem sie zuvor einem starken Magnetfeld ausgesetzt waren. Das bezeichnete er als Kernresonanzspektroskopie oder NMR ( nuklearmagnetische Resonanz ). Bald verwendeten Wissenschaftler dies, um chemische Substanzen im Labor zu untersuchen. Viele Jahre später sollte ein gewisser Dr. Raymond Damadian das Potential der NMR-Untersuchung für die Medizin entdecken.

Damadian ist eine interessante und kontroverse Person. Er ist 1936 in New York City geboren. Als er acht Jahre alt war, wurde er zur Juilliard School of Music zugelassen. Er erhielt ein Stipendium für die University of Wisconsin in Madison und ging anschließend an die medizinische Hochschule am Albert Einstein College für Medizin an der Yeshiva University in der Bronx. 1960 machte er seinen Abschluss im zarten Alter von 24 Jahren. Dann nahm er seine Forschungen am medizinischen Forschungslabor in Brooklyns Downstate Medical Center auf.

Während er die Tumorentwicklung bei Ratten erforschte, stellte er fest, dass die NMR-Signale der erkrankten Tumorzellen wesentlich anders waren als die bei gesunden Ratten. Er stellte die Hypothese auf, die höhere Anzahl an Wassermolekülen (und infolge dessen der Hydrogenatome) seien in den Tumoren höher. Seine Entdeckungen wurden 1971 in Science veröffentlicht.

Als ihm klar war, dass darin die Grundlage für eine nicht-chirurgische Art der Krebsdiagnostik steckte, entwickelte er die Idee für ein großes NMR-Gerät, das die Radiowellen aus allen Atomen des menschlichen Körpers aufzeichnen könnte. Man musste nur ein hinreichend großes Magnetfeld herstellen!

1977 baute er mit seinen Studenten einen ersten Prototypen des modernen Magnetresonanztomographen: MRI – Magnetic Resonance Imaging – welchen sie den Unbeugsamen ( The Indomitable ) tauften. Er testete das Gerät zunächst erfolglos an sich selbst, dann an einem Studenten namens Larry Minkoff. Das Ergebnis waren 106 Datensätze (erstmals mit Buntstift aufgezeichnet!), die das Gewebe in Minkoffs Brust darstellten. Heute steht The Indomitable im Smithsonian.

Damadians Geschichte geht weiter – er beantragte ein Patent, es gab jahrelange Rechtsstreitigkeiten, in welchen er Firmen wie Hitachi und General Electric abwehren musste, die ihm sein Patent streitig machten. Er erregte überdies auch Kontroversen, weil er die Arbeit so genannter “Schöpfungs-Wissenschaftler” (“creation scientists”) unterstützte.

Es gab eine Reihe anderer Wissenschaftler, die den NMR erforschten und eigentlich Damadians Richtung anvisierten. Eine Person im Besonderen mit legitimen Ansprüchen auf Mit-Entdeckung ist Paul Lautenbur. Er entwickelte in SUNY Stony Brook die Idee, kleine NMR Gradienten zu verwenden, um eine Darstellung des Körpers zu erzielen. 1973 wandte er diese Technik auf ein wassergefülltes Testrohr an, dann auf eine Muschel. Seine Arbeiten wurden in Nature veröffentlicht und seine Technik wird heute noch bevorzugt. Lautenbur und der britische MRI Forscher Peter Mansfield erhielten 2003 den Nobelpreis.

MRI funktioniert so: Man schafft ein starkes Magnetfeld, das den Probanden von Kopf bis Fuß durchläuft. Durch den Eigendrehimpuls der Protonen reihen sich die Hydrogenatome im Körper entsprechend dem magnetischen Moment auf. Dann schickt man einen Radioimpuls mit bestimmter Frequenz ab, der die Atome dazu bringt, sich in eine andere Richtung zu drehen. Schaltet man den Radioimpuls ab, kehren die Protonen in ihre Position mit dem Magnetfeld zurück und geben die überschüssige Energie frei, die sie vom Radioimpuls aufgenommen hatten. Diese Energie wird von derselben Spule aufgenommen, die die Energie zuvor abgegeben hatte, nun dient sie als eine Art dreidimensionale Antenne. Weil verschiedene Gewebe verschiedene relative Hydrogendichten aufweisen, geben sie unterschiedlich dichte Energiesignale ab, welche der Computer in ein detailliertes dreidimensionales Bild umwandelt. Dieses Bild ist fast so detailliert wie ein anatomisches Foto!

Anderenorts wurde die direkte elektrische Stimulation des Gehirns beim lebenden Patienten eine Art Kunst im 20. Jahrhundert. 1909 stellte Harvey Cushing den somatosensorischen Kortex dar. 1954 brachte James Olds eine Mediensensation zustande, indem er das so genannte “Lustzentrum” im Hypothalamus entdeckte. Am Ende des Jahrhunderts waren alle spezialisierten Hirnregionen ziemlich gut erforscht.

Auch die Hirnchirurgie wurde effektiver. Während man nach chirurgischer Hilfe bei extremer Epilepsie suchte, entdeckte man, dass sich die Gesundheit des Patienten sehr verbesserte, wenn man den Corpus Callosum, welcher die beiden Hemisphären im Zerebralkortex verbindet, durchschneidet. Dann war Roger Sperry in der Lage, die zahlreichen Unterschiede zwischen der linken und rechten Hemispäre zu entdecken, und zwar in einer der interessantesten Untersuchungen der Geschichte. Er erhielt für seine Arbeit 1981 den Nobelpreis.

Der andere Aspekt der Technologie ist ihr Nutzen bei der Therapie psychisch Kranker. Obwohl bis zum heutigen Tage extrem kontrovers, gibt es deutliche Hinweise dafür, dass die Elektroschocktherapie, die Ugo Cerletti und Lucino Bini 1938 erstmals anwandten, bei der Pflege sehr depressiver Patienten hilfreich sein kann. Elektroschock (auch bekannt als ECT) bedeutet, dass man starken elektrischen Strom durch das anästhesierte Gehirn des Patienten fließen lässt. Wenn der Patient erwacht, kann er sich nicht erinnern, was einige Stunden vor dem Eingriff passiert ist, doch er fühlt sich auch wesentlich weniger depressiv. Man ist sich nicht sicher, warum es funktioniert.

Weniger effektiv und bedeutend weniger radikal ist die Leukotomie, die Antonio Egaz Moniz von der Medizinsichen Universität Lissabon erstmals an Menschen anwandte; für seine Arbeit erhielt er 1949 den Nobelpreis. Walter Freeman machte die Leukotomie zu einer Technik der Massenproduktion, er war der erste, der 1936 in den USA eine Leukotomie durchführte.

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