München, 30. April 2003 – SGI gibt bekannt, dass Neurowissenschaftler an Universitäten in den USA und Australien mit Hilfe von Hochleistungstechnologie des Unternehmens einzigartige Einblicke in die Dynamik und den Umfang gewannen, mit denen sich die Alzheimersche Krankheit im menschlichen Gehirn ausbreitet. Anhand eines aufwändig generierten Videos konnten Forscher von der UCLA und der Universität von Queensland erstmals verfolgen, wie sich bei lebenden Patienten die dreidimensional erfassten zerebralen Verhältnisse im Laufe der Zeit verändern und sich der Zelltod wie ein Flächenbrand quer durch das Gehirn frisst. Der 4D-Einblick in den Krankheitsverlauf eröffnet Möglichkeiten, kleinste Veränderungen des Gewebes auszumachen, und ist für die Forscher ein Meilenstein, um verifizieren zu können, wie wirksam neue Medikamente den Fortschritt der Krankheit oder deren Ausbruch verzögern können.

Das Video für diesen 4D-Einblick - es zeigt die 3D-"Karte" des Gehirns zu verschiedenen Stadien in Zeitraffer-Darstellung - wurde mittels einer fortgeschrittenen Technik zur Auswertung bildgebender medizinischer Verfahren erzeugt. Datengrundlage waren Gehirn-Scans von gut 2 Dutzend Personen, die in regelmäßigen Zeitschritten mit einem MRI-Gerät (für Magnet-Resonanz-Imaging) erfasst wurden. Aus diesem scheibchenweise erfolgenden Scan-Prozess ergibt sich jeweils pro Scan ein Paket hochauflösender 2D-Bilder, die das Gehirn allerdings nur in vorgegebener Schnittrichtung darstellt.

Zugang zu den signifikanten Stellen, Vorgängen und Details

Mit Hilfe eines 64-CPU-Hochleistungsrechners SGI®Origin®3000 wurde aus dem diskreten Satz von 2D-Bildern ein räumliches Daten-Kontinuum erzeugt - ein volumetrischer 3D-Datensatz, durch den sich Bildschnitte in jeder beliebigen Richtung legen lassen. Und aus den 3D-Daten zu den einzelnen Zeitpunkten entstand auf dem Rechner schließlich ein 4D-Gesamtdatensatz in Raum-Zeit-Dimension. Visuell dargestellt wurde der 4D-Datensatz auf einem Graphiksupercomputer SGI®Onyx®. Trotz der enormen zu handhabenden Datenmenge können Forscher hier interaktiv und intuitiv den Navigationspfad so ausloten und die Schnittrichtung so wählen, wie es ihnen am interessantesten und signifikantesten erscheint. Egal ob sie bei der Analyse zu einem bestimmten Krankheitsstadium die Gehirnstruktur durchwandern oder ob sie bei einer bestimmten Stelle und Schnittrichtung die Zeitachse wählen und die Prozesse ihre Entwicklung nehmen lassen. Über die Video-Ausgabe-Funktion, die auf dem Onyx-System zur Verfügung steht, können sie ihre interaktive Visualisierungssitzung letztlich für andere Beteiligte auch dokumentieren.

Visualisierung und Datensatzaufbereitung mit dem Onyx- und dem Origin-System führten Wissenschaftler an der UCLA (Universitity of California in Los Angeles) durch. Die Rohdatenerfassung lag bei den Forschungspartnern am Zentrum für Magnetische Resonanz in Australien. Die Arbeit fand im Rahmen eines laufenden Projektes der Universität von Queensland statt, bei dem man die Alzheimersche Krankheit in frühen Stadien untersucht. Als MRI-Scanner arbeitete ein Bruker Avanace^TM Electronics Medspec® S200, der mit einer SGI-Workstation Silicon Graphics® O2 als Frontend-System betrieben wird und dessen Rohdaten mit Hilfe einer SGI-Workstation Silicon Graphics® Octane® vorverarbeitet werden.

Vom schwindenden Gedächtnis bis zum Wahrnehmungsverlust

Die Bewegtbilder der im Zeitraffer festgehaltenen Zerstörung des Gehirns sind online verfügbar unter http://www.loni.ucla.edu/~thompson/AD_4D/dynamic.html/oThis%20link%20will%20open%20up%20a%20new%20browser%20window/ttop.

Sie zeigen in dramatischer Weise, wie nach und nach die für verschiedene Funktionen zuständigen Gehirnregionen befallen werden. Zuerst das Gedächtnis, dann die Gefühlswelt, danach Hemmungen und Hemmschwellen, schließlich die Sinneswahrnehmung. Die Bilder verdeutlichen insbesondere auch die Tatsache, dass die Krankheit gewisse kleinere Gehirnregionen, die für das Sehen und andere Grundfunktionen zuständig sind, ausspart. Sie bleiben auch bei Alzheimer-Patienten in der Regel voll intakt.

"Zum ersten Mal kann man sehen, wie Alzheimer bei lebenden Patienten dynamisch voranschreitet," sagt Paul Thompson, außerplanmäßiger UCLA-Neurologie-Professor an der ´David Geffen School of Medicine´ und als Chief-Investigator leitend mit der Studie befasst. "Wir waren entsetzt, als wir sahen, dass sich der Zellverlust wie eine Welle ausbreitet. Zunächst auf den Gedächtnisbereich begrenzt, wandert der Befall dann wie ein Lauffeuer quer durchs Gehirn und zerstört im Zuge fortschreitender Krankheit mehr und mehr Gehirnmasse."

Dem Zelltod auf der Spur - bei Patienten und Nicht-Patienten

Die degenerative Gehirnkrankheit Alzheimer (präsenile Demenz) peinigt rund 10% aller Personen ab 65 Jahren. Ärzte wissen, dass sich bei den Patienten Schädigungen (sog. amyloide Flecken und Knäuel) häufen, die den Tod von immer mehr Gehirnzellen bedeuten und zu Gedächtnisschwund, Desorientierung und einer immer geringeren Fähigkeit führen, mit dem täglichen Leben zurechtzukommen.

Um zu verfolgen, wie sie sich das fortschreitende Sterben der Gehirnzellen vollzieht, hatte das Forscherteam im Rahmen der Studie insgesamt 12 Patienten und 14 gesunde freiwillige ältere Testanten über 2 Jahre hinweg dem MRI-Gehirnscanning regelmäßig unterzogen. In das computer-unterstützte hochauflösende Verfahren, das Unterschiede zwischen Patienten- und Nicht-Patienten-Gehirnen herauskristallisieren sollte, flossen Bilddaten von mehr als 60.000 erfassten Scan-Punkten ein.

Jährlich 5 bis 10 % weniger Gehirnmasse

Mit Hilfe der fortgeschrittenen Analyse-Technik fanden die Forscher: Die Alzheimer-Patienten verloren im Jahresdurchschnitt gut 5% ihrer grauen Gehirnmasse. In einigen Regionen wurden Gehirnzellen sogar noch schneller eliminiert, wobei Jahr für Jahr bis 10% der Zellen starben. Bei der Kontrollgruppe der Gesunden wurde hingegen festgestellt, dass ältere Personen jährlich lediglich 0.9% ihrer grauen Gehirnmasse einbüßen.

Das auf den Scan-Untersuchungen basierende Zeitraffer-Video offenbart, wie der Zelltod, wenn sich die Symptome der Patienten weiter verschlechtern, stirnseitige und sogar zentrale Gehirnregionen erreicht. Die Bereiche kontrollieren die Hemmungen und Hemmschwellen der Patienten sowie ihre emotionale Verfassung. Nach 2 Jahren hat die Zellzerstörung das praktisch ganze Gehirn durchsetzt.

Hochleistungs-IT macht feinste Details sichtbar - auch in Stereo

"Solche Studien sind ohne High-Performance-Computing unmöglich," erklärt Thompson. "Unser SGI-Hardware hat uns hier enorme Dienste erwiesen."

Mit der Analysemethode der UCLA lassen sich in den MRI-generierten Gehirn-Scans äußerst geringfügige Veränderungen entdecken. Ärzten und Forschern bietet sich damit ein leistungsfähiges neues Werkzeug, das ihnen hilft, die Alzheimersche Krankheit schneller zu diagnostizieren, beim Patienten frühest möglich intervenierende Maßnahmen einzuleiten und insbesondere auch die Entwicklung neuer Therapieformen zu beschleunigen.

Durch Einsatz des Origin-Hochleistungsrechners sind Forscherteams in der Lage, Daten, die sie aus Scan-Untersuchungen erfassen, nach kürzester Zeit der visuellen Auswertung zuzuführen. Denn der Compute-Server generiert den dafür nötigen Datensatz innerhalb nur eines einzigen Nacht-Laufs. Ein Ergebnis, worauf die Forscher bei bisheriger Technologie bis zu 10 Wochen warten müssen.

Die aufwändig aufbereiteten Datensätze konnten auch in Stereo-Darstellung analysiert werden. "Es ist faszinierend, sich in die 4D-Welt hineinzubegeben und dank der Arbeiten der UCLA-Kollegen den Fortschritt der Alzheimer-Demenz auf diese plastische und präzise Weise in Raum und Zeit verfolgen zu können", erklärt Co-Investigator Greig de Zubicaray vom Zentrum für Magnetische Resonanz an der Universität von Queensland. "Andrew Janke, der am Zentrum an der Verarbeitung vieler der erfassten Scan-Rohdaten arbeitete, bestätigt, dass SGI-Technologie ein integraler Bestandteil für diese spannende und in vielerlei Hinsicht bahnbrechende Forschungsarbeit ist".

Wirkstoff-Forschung - HighEnd-Analyse vordringlich

Neurologie-Professor Thompson, der an der UCLA auch als Forscher am Labor für Neuro-Imaging wirkt: "Die fortgeschrittene Technik zur Analyse von Imaging-Daten aus bildgebenden Verfahren verschafft Ärzten und Forschern heute die Möglichkeit, genau zu lokalisieren, wo und wie schnell sich eine Krankheit wie Alzheimer im Gewebe verbreitet. Wir werden diese Methode mit hoher Dringlichkeit einsetzen. Mit ihr können wir herausfinden, inwiefern neue Medikamente und Impfstoffe in der Lage sind, die Welle der Zellzerstörung zu bremsen, die sich heute im Gehirn des Patienten so dynamisch verbreitet."

Mittel und Wege zu schaffen, mit denen man bestimmt, wie effizient Wirkstoffe den Fortschreitungsprozess von Alzheimer bekämpfen oder den Ausbruch der Krankheit hinauszögern können, ist eines der Ziele der Forschungsaktivitäten an der UCLA. Die Herausforderung besteht darin, minuziöse Veränderungen des Gehirngewebes sichtbar werden zu lassen, wobei es diese nuancierten Informationen aus der enormen Fülle eines 4D-Datensatzes herauszuschälen gilt. Dem Forscherteam an der UCLA steht dazu ein Onyx-Visualisierungssystem zur Verfügung, das mit RealityMonster®-Technologie ausgestattet ist (bei einem solchen Graphiksubsystem lassen sich bis zu 16 Graphik-Pipelines zusammenbinden, die gemeinsam und in hochqualitativer Weise besonders umfangreiche Aufgaben zu bearbeiten imstande sind). Die Forscher an der UCLA können nach Belieben an jede interessante Stelle des Gehirns fahren, jede gewünschte Schnittrichtung wählen und sich interaktiv im Movi-Modus in zeitlicher Abfolge in Realtime darstellen lassen, ob, wo und in welchem Maße Veränderungen vorliegen.

Nächster Schritt innerhalb des Forschungsprogramms ist ein klinischer Versuch, der sich der Möglichkeiten des fortgeschrittenen Visualisierungsansatzes umfassend bedienen wird.

Mehr Information zu SGIs Engagement bei medizinischer Forschung und Gesundheitswesen, einschließlich der diagnostischen bildgebenden Verfahren, der computer-unterstützten Chirurgie und entsprechender Simulationsmethoden finden sich unter http://www.sgi.com/go/medical

Letzte Ergebnisse aus der in dieser Pressemitteilung genannten Studie wurden im Journal of Neuroscience in der Februar-Ausgabe 2003 publiziert. Vorausgehende Ergebnisse, die sich auf die von Andrew Janke an der Universität von Queensland verarbeiteten Daten stützen, wurden 2001 in einem Artikel der Zeitschrift Magnetic Resonance in Medicine veröffentlicht, der später den ´W.S. Moore Award´ der International Society for Magnetic Resonance in Medicine erhielt.

Sie haben weitere Fragen? Unsere Presseabteilung ist für Sie da.

SGI ist weltweit führender Anbieter von Produkten, Lösungen und Services für High-Performance-Computing (HPC), High-Perfomance-Visualsierung (HPV) und komplexes Daten-Management. Mit ihnen schaffen sich technisch und kreativ orientierte Kunden strategische Wettbewerbsvorteile in Kernbereichen. Systeme und Kompetenz der Marke SGI® öffnen in herausfordernsten Feldern den Weg zu Innovationen und Erkenntnissen - egal ob beim Entwickeln von Autos und Flugzeugen, Erforschen von Medikamenten und Methoden der Gehirn-Chirurgie, beim Erschließen von Energiequellen, Voraussagen des Wetters, Übergang von analogem nach digitalem Rundfunk oder bei missionskritischen Anwendungen in der Verteidigung . SGI hat den Hauptsitz in Mountain View, Kalifornien.