Patiënten die een positronemissietomografie (PET)-scan ondergaan in het omvangrijke, donutvormige machines moeten volledig stil liggen. Daarom, wetenschappers kunnen de scanners niet gebruiken om verbanden tussen beweging en hersenactiviteit op te sporen. Wat gebeurt er daarboven als we instemmend knikken of elkaar de hand schudden? Hoe verschillen de hersenen van mensen die moeite hebben met lopen na een beroerte van die van mensen die dat wel kunnen?

Om dit soort vragen aan te pakken, Julie Brefczynski-Lewis, een neurowetenschapper aan de West Virginia University (WVU), is een samenwerking aangegaan met Stan Majewski, een natuurkundige aan de WVU en nu aan de Universiteit van Virginia, om een ​​geminiaturiseerde PET-hersenscanner te ontwikkelen. De scanner kan worden "gedragen" als een helm, onderzoekssubjecten laten staan ​​en bewegingen maken terwijl het apparaat scant. Deze Ambulatory Microdose Positron Emission Tomography (AMPET)-scanner zou nieuwe psychologische en klinische onderzoeken kunnen lanceren over hoe de hersenen functioneren wanneer ze worden aangetast door ziekten van epilepsie tot verslaving, en tijdens gewone en disfunctionele sociale interacties.

“Er zijn zoveel mogelijkheden, " zei Brefczynski-Lewis, "Wetenschappers zouden AMPET kunnen gebruiken om de ziekte van Alzheimer of traumatisch hersenletsel te bestuderen, of zelfs ons evenwichtsgevoel. Met dit apparaat willen we de grenzen van de beeldmobiliteit verleggen."

Het idee werd aangewakkerd door een scanner die is ontwikkeld voor het bestuderen van ratten, een project startte in 2002 in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Majewski, een hoge-energiefysicus door opleiding, oorspronkelijk lucht gekregen van Brookhaven's "RatCAP"-project omdat hij in dezelfde natuurkundige kringen liep als verschillende van de RatCAP-teamleden.

"Ik leerde wat mijn vrienden en collega's bij Brookhaven aan het doen waren, " zei Majewski, "en besloten om hetzelfde type apparaat voor mensen te bouwen."

Brookhaven begin

Het rattenbewuste dier PET, of RatCAP, scanner is een ring van 250 gram die om de kop van een rat past, opgehangen aan veren om zijn gewicht te dragen en de rat rond te laten rennen terwijl het apparaat scant. Nora Volkow, destijds hoofd van Brookhaven's Life Sciences-divisie, kwam op het idee om de hersenen van wakkere en bewegende dieren in beeld te brengen.

"Ik wilde PET-scans doen bij dieren zonder verdoving, " zei Volkow, die nu de directeur is van het National Institute on Drug Abuse. In tegenstelling tot mensen, dieren kunnen niet worden verteld om gewoon stil te liggen in een scanner. Maar de verdoving die nodig is om ze stil te laten liggen, vertroebelt de resultaten. "Het beïnvloedt de distributie van de PET-radiotracer en remt neuronen, " zei Volkow. Een draagbare scanner, echter, zou met de hersenen van het dier meebewegen en de noodzaak van verdoving elimineren (zie HOE HUISDIEREN WERKT). Volkow riep de hulp in van wetenschappers en ingenieurs van Brookhaven om het idee te realiseren.

Deeltjes volgen

Gelukkig, er is een grote overlap tussen medische beeldvorming en kernfysica, een onderwerp waarin Brookhaven Lab wereldleider is. Vandaag, natuurkundigen van het Lab gebruiken technologie die vergelijkbaar is met PET-scanners bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), waar ze de deeltjes moeten volgen die uit botsingen met bijna-lichtsnelheid van geladen kernen vliegen. PET-onderzoek in het Lab dateert uit het begin van de jaren zestig en omvat de creatie van de eerste single-plane scanner en verschillende tracer-moleculen.

"Beide velden denken over dezelfde dingen - hoe de fotodetectoren werken, hoe de sprankelende kristallen werken, hoe de elektronica werkt, " zei Brookhaven-natuurkundige Craig Woody. "PET-scanners, evenals CT [computertomografie] en MRI [magnetic resonance imaging], worden gebruikt door artsen, maar ze zijn gebouwd door detectorfysici."

Houtachtig, die nu werkt aan een nieuwe deeltjesdetector voor RHIC, leidde het RatCAP-project met David Schlyer en Paul Vaska. Destijds, Schlyer en Vaska waren hoofden van Brookhaven's cyclotron-operaties en van PET-fysica, respectievelijk. Schlyer is nu emeritus wetenschapper bij het Lab en Vaska is hoogleraar biomedische technologie aan de Stony Brook University.

Bij het ontwerpen van de kleinschalige scanner, het team gebruikte recente ontwikkelingen in detectortechnologie. Bijvoorbeeld, ze gebruikten dichte kristallen om de gammafotonen die worden gegenereerd door positron-elektron-interacties om te zetten in zichtbaar licht, samen met kleine lichtdetecterende sensoren, lawinefotodiodes genaamd. Ze gebruikten ook speciale elektronica ontwikkeld in Brookhaven en ingebouwd in de compacte, lichtgewicht PET-detector. Het ophangen van de structuur aan lange veren hielp het gewicht te dragen, zodat ratten de scanner konden "dragen" terwijl ze zich gemakkelijk konden verplaatsen.

"Het was een zeer gezamenlijke inspanning, " zei Schlyer, die de radio-isotopen produceerde die nodig waren voor de scans. "We hadden mensen uit de natuurkunde, biologie, scheikunde, medicijn, en elektrotechniek."

Van ratten tot hoeden

Het nieuws kwam naar buiten over RatCAP toen de wetenschappers hun voortgang presenteerden op conferenties en bijeenkomsten. Stan Majewski, vervolgens bij DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab), merkte op. Hij had gewerkt aan nieuwe methoden voor beeldvorming van borstkanker, zijn expertise op het gebied van hoge-energiefysica-detectoren toepassen op het medische veld.

"Ik kende Stan al heel lang - we werkten samen bij CERN, het Europees laboratorium voor kernfysica, "zei Woody. "Ik moet hem de eer geven omdat hij constant zei:'je zou echt medische fysica moeten doen.'"

Majewski merkte op dat het management van Jefferson Lab het project zeer ondersteunde en wat startgeld verstrekte, zelfs nadat hij naar WVU was verhuisd om meer werk aan medische beeldvorming te doen. Terwijl hij daar was, breidde hij de ideeën van de RatCAP uit en bouwde hij een prototype van draagbare PET-hersenbeelden voor mensen.

"Een mobiel hulpmiddel voor hersenbeeldvorming heeft toepassingen in psychologisch onderzoek en klinisch gebruik, "Zei Majewski. "Je zou beeldvorming aan het bed van epilepsie kunnen doen, bijvoorbeeld, en kijk wat er in de hersenen gebeurt tijdens een aanval."

Majewski's "Helmet_PET"-prototype, gepatenteerd in 2011, gebruikte silicium fotomultipliers - een nieuwere, even compacte maar efficiëntere fotodetector dan de lawinefotodiodes die in RatCAP worden gebruikt.

"Stan zag het potentieel in de RatCAP en ging verder, ' zei Woody.

De patenttekening van het prototype lag op Majewski's bureau bij WVU toen Brefczynski-Lewis, een neurowetenschapper, liep naar binnen. De tekening van een helmvormige detector op een rechtopstaand persoon trok haar aandacht.

"Ik had altijd last van deze middelste zone van de hersenen die je niet kon bereiken met andere beeldtechnologieën, " zei ze. "Met elektro-encefalografie (EEG) kun je geen diepe hersenstructuren bereiken, maar met PET en MRI kun je geen beweging hebben. Ik dacht dat het apparaat van Stan deze niche zou kunnen vullen."

Na het bouwen van het eerste prototype bij WVU, de twee wetenschappers begonnen Helmet_PET te gebruiken om de hersenen van vrijwillige patiënten in beeld te brengen. Nadat Majewski was overgeplaatst naar de Universiteit van Virginia, ontwikkelde het team een ​​nieuwer model van het apparaat, nu bekend als AMPET. De huidige beeldkap is ontworpen om een ​​staande persoon te scannen en is bevestigd aan een overheadsteun, enige beweging toelaten.

AMPET vertoont grote gelijkenis met een van de eerste PET-scanners gebouwd in Brookhaven, bijgenaamd de "föhn".

"De ideeën zijn min of meer rond, " zei Schlyer. "Wat is veranderd, is de technologie die deze apparaten mogelijk maakt."

Het AMPET-team hoopt binnenkort te beginnen met de ontwikkeling van een volledige hersenscanner - een scanner die het hele hoofd bedekt in plaats van een horizontale sectie van vijf centimeter te onderzoeken. zoals de huidige ring.

Microdosis heeft een groot potentieel

Omdat AMPET zo dicht bij de hersenen zit, het kan meer van de fotonen "vangen" die afkomstig zijn van de radiotracers die in PET worden gebruikt dan grotere scanners. Dat betekent dat onderzoekers een lagere dosis radioactief materiaal kunnen toedienen en toch een goede biologische momentopname kunnen maken. Door meer signalen op te vangen, kan AMPET ook afbeeldingen met een hogere resolutie maken dan gewone PET.

Maar het belangrijkste, Met PET-scans kunnen onderzoekers verder in het lichaam kijken dan met andere beeldvormende hulpmiddelen. Hierdoor kan AMPET diepe neurale structuren bereiken terwijl de onderzoekssubjecten rechtop en bewegend zijn.

"Veel van de belangrijke dingen die met emotie gebeuren, geheugen, en gedrag zijn diep in het centrum van de hersenen:de basale ganglia, zeepaardje, amygdala, ' zei Brefczynski-Lewis.

Vanuit het perspectief van een psycholoog of neurowetenschapper, AMPET zou deuren kunnen openen voor een verscheidenheid aan experimenten, van het onderzoeken van de reacties van de hersenen op verschillende omgevingen tot de mechanismen die betrokken zijn bij ruzie of verliefd zijn.

Brefczynski-Lewis beschreef manieren om AMPET te gebruiken om de hersenactiviteit te bestuderen die ten grondslag ligt aan emotie. "Momenteel doen we tests om het gebruik van virtual reality-omgevingen in toekomstige experimenten te valideren, "zei ze. In deze "virtuele realiteit, " vrijwilligers lazen voor uit een script dat was ontworpen om het onderwerp boos te maken, bijvoorbeeld, terwijl zijn of haar hersenen worden gescand.

Op medisch gebied, de scanhelm kan helpen verklaren wat er gebeurt tijdens medicamenteuze behandelingen, of licht werpen op bewegingsstoornissen.

"Er is een subpopulatie van Parkinsonpatiënten die grote moeite hebben met lopen, maar kan met gemak en zonder aarzeling fietsen, " zei Schlyer, die ook een adjunct-professor is op de afdeling Radiologie van het Weill Cornell Medical College, waar hij Parkinson studeert. "Wat gebeurt er in hun hersenen dat deze twee activiteiten zo verschillend maakt? Met dit apparaat konden we de regionale hersenactivatie volgen terwijl patiënten lopen en fietsen, en mogelijk die vraag beantwoorden."

Brefczynski-Lewis merkte op, "We hebben met succes de hersenen in beeld gebracht van iemand die op zijn plaats loopt. Nu zijn we klaar om een ​​laboratoriumklare versie te bouwen. Het was een spannende reis - het blootleggen van de behoeften van verschillende neurowetenschappers en het ontwikkelen van dit apparaat waarvan we hopen dat het ooit aan die behoeften zal voldoen , en helpen bij onze zoektocht om de hersenen te begrijpen."

Het RatCAP-project in Brookhaven werd gefinancierd door het DOE Office of Science. RHIC is een DOE Office of Science User Facility voor kernfysisch onderzoek.