Magnetresonanz-Tomografie des Gehirns
von Carl Friedrich Gauß

 

Wolfgang Hänicke, Jens Frahm, Axel D. Wittmann*

(Biomedizinische NMR-Forschungs GmbH am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und (ext. link)*Universitäts-Sternwarte Göttingen)

 

Zu einem der größten Schätze in den wissenschaftlichen Sammlungen der Universität Göttingen gehört das Gehirn von Carl Friedrich Gauß (1777–1855). Die Abbildung 1 zeigt den bedeutenden Wissenschaftler im Alter von 63 Jahren. Am 5.8.1807 erhielt Gauß einen Ruf als Professor der Philosophie und Astronomie sowie als erster Direktor der Sternwarte nach Göttingen, wo er am 21.11.1807 eintraf und sein gesamtes weiteres Leben verbrachte. Zuvor hatte sich der geniale Mathematiker auch auf astronomischem Gebiete dadurch ausgezeichnet, dass die – mit Hilfe der von ihm entwickelten Methode der kleinsten Quadrate – erfolgte Bahnberechnung des Planetoiden Ceres dazu geführt hatte, dass dieser Kleinplanet trotz nur weniger Positionsbeobachtungen wieder aufgefunden werden konnte.

 

 

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Abbildung 1: Carl Friedrich Gauß (1777-1855) nach einer 1887 von Gottlieb Biermann erstellten Kopie eines Gemäldes des dänischen Malers Christian Albrecht Jensen. Das 1840 entstandene Original befindet sich in der russischen Sternwarte Pulkowa in St. Petersburg, die Kopie im Hörsaal der Göttinger Sternwarte.

Figure 1: Portrait of Carl Friedrich Gauss (1777-1855) at the age of 63 years (copied in 1887 by Gottlieb Biermann from a painting by the Danish artist Christian Albrecht Jensen). The original was painted in 1840 for the Pulkowa Observatory in St. Petersburg, Russia, where it is kept until today. The copy is located in the Lecture Hall of the University Observatory in Göttingen.

 

Am 25. November 1998 bestand anlässlich einer notwendig gewordenen Neupräparation die einmalige Gelegenheit, das Gehirn von Carl Friedrich Gauß in der Biomedizinischen NMR Forschungs GmbH zu untersuchen (1). Unser Ziel dabei war es, möglichst viele Daten des Gaußschen Gehirns zu erfassen und in digitaler Form langfristig zu sichern. Hierzu wurden die modernen Methoden der Magnetresonanz-Tomografie (MRT) angewendet. Sie sind in der Lage, Anatomie und Funktionen der substanziellen Partien eines lebenden Gehirns im Detail zu untersuchen und krankheitsbedingte Abweichungen festzustellen. Da die Verfahren aber grundsätzlich nicht auf die Untersuchung lebenden Gewebes beschränkt sind, können auch tote Präparate – wie etwa der kältekonservierte Leichnam des Eismanns aus den Ötztaler Alpen oder die Körperhüllen der ägyptischen Pharaonen – untersucht werden. Ein wesentlicher Vorteil dabei ist, dass die MRT-Untersuchung zerstörungsfrei ist und Ergebnisse in digitaler Form liefert, die fast unbegrenzt archiviert und verlustfrei kopiert werden können. Selbst bei einem möglichen Verlust des Originalgehirns stehen diese Bilddaten der Wissenschaft weiterhin zur Verfügung.

 

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Abbildung 2: Das Gaußsche Gehirn unmittelbar vor Beginn der MRT-Messungen (Foto: Birkefeld).

Figure 2: The brain of Gauss immediately before the MRI examination (Photo: Birkefeld). Contrary to Einstein's brain (6), the parietal operculum is normal.

 

Historische Aspekte

Am 23. Februar 1855 um ein Uhr zwei Minuten morgens verstarb Carl Friedrich Gauß im Alter von fast 78 Jahren in seiner Wohnung in der Universitäts-Sternwarte Göttingen. Der Sohn Carl Josef Gauß (1806–1873) erteilte auf Bitte des Physiologen Rudolph Wagner (1805–1864) die Erlaubnis zur Entnahme des Gehirns sowie zu dessen Benutzung zu wissenschaftlichen Zwecken. Am Vormittag des 24. Februar fand daraufhin in Anwesenheit von Wagner, von Gauß' Leibarzt, dem Chirurgen Wilhelm Baum (1799–1883), von einem seiner Freunde, dem Physiker Johann Benedikt Listing (1808–1882), sowie eines Anatomen und zweier Pathologen eine Sektion der Leiche statt (2). Bei dieser wurde u.a. auch das Gehirn entnommen und ein Gipsabdruck der Schädelinnenseite hergestellt. Am 26. Februar ist Gauß auf dem Friedhof der St. Albani-Gemeinde in Göttingen beigesetzt worden, sein Grabmal gehört auch heute noch zu den besonderen Sehenswürdigkeiten Göttingens.

Das entnommene Gehirn wurde präpariert und in einem mit einer äthanol-haltigen Lösung gefüllten Glasgefäß aufbewahrt. Damals hatte das Gehirn eine Länge von 18.5 cm, eine Breite von 14.1 cm und eine Höhe von 12.5 cm. Zunächst wog es frisch mit den Häuten 1492 Gramm, ohne Häute 1415 Gramm. Am 15. Mai 1856 ergab eine neue Wägung ein mittlerweile reduziertes Gewicht von 1016 Gramm. Diese Ergebnisse wurden von Rudolph Wagner im Zusammenhang mit allgemeinen Arbeiten zur Morphologie und Physiologie des menschlichen Gehirns in dem Verlag der Göttinger Dieterichschen Buchhandlung 1860 bzw. 1862 publiziert (3,4). Im Jahre 1864 bestimmte Hermann Wagner, ein Sohn Rudolph Wagners, in seiner Dissertation die Gesamtoberfläche durch das Auszählen kleiner aufgelegter Quadrate (5).

Anders als das Gehirn Albert Einsteins, das in den USA nach Entnahme, Präparation, Ausmessung und Fotografie in 240 kleine Blöcke zerteilt und einzeln in Celloidin eingegossen wurde (6), ist das Gaußsche Gehirn nie aufgeschnitten oder anderweitig ernsthaft beschädigt worden, sondern ebenso wie der erwähnte Gipsabdruck bis heute in einwandfreiem Zustand erhalten.

 

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Abbildung 3: 3D MR-Tomografie des Gehirns von Gauß. Oben: Rekonstruktion der äußeren Oberfläche in einer Betrachtung von der rechten Seite analog zur Fotografie in Abbildung 2. Unten: Sagittales Schnittbild in einer zur Seite parallelen Ebene, die insbesondere den Hippokampus darstellt (graue Hirnsubstanz: hell, weiße Hirnsubstanz: dunkel).

Figure 3: 3D MRI of Gauss' brain. Top: Surface reconstruction viewed from the right side in analogy to the photo in Figure 2. Bottom: Sagittal section parallel to the interhemispherical medial plane through the hippocampus. There is no indication of atrophical volume reduction. In comparison to T1-weighted images of living brain tissue, contrasts are inversed such that gray matter appears bright and white matter appears dark. The effect is caused by altered T1 relaxation times as a consequence of the chemical reactions associated with the preservation process.

 

MRT-Messungen

Zur Vorbereitung der Neupräparation und der MRT-Untersuchungen wurde das Gaußsche Gehirn im Institut für Rechtsmedizin der Universität Göttingen von Prof. Saternus und Mitarbeitern dem Originalgefäß entnommen und nach einer Säuberung von Watteresten zunächst in ein kleines, durch ein feuchtes Tuch verschlossenes Gefäß umgebettet. In diesem wurde das Präparat in einer speziell dafür vorbereiteten, sorgfältig gegen Beschädigungen gesicherten Kiste in unser Institut transportiert.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurde das Gehirn bestehend aus den beiden Großhirnhälften und dem Kleinhirn in anatomischer Anordnung auf einem Glasteller vorbereitet. Danach begann die MR-Untersuchung bei einer Magnetfeldstärke von 20000 Gauß (entsprechend 2.0 Tesla) an unserem Gerät des Typs Magnetom Vision der Firma Siemens Medizintechnik, Erlangen.

Um eine möglichst hohe Auflösung bei gutem Kontrast zu erreichen, wurde zunächst eine dreidimensionale FLASH-Technik angewandt. Der mit der Relaxationszeit T1 gewichtete Datensatz wurde mit 192 x 256 x 256 Bildelementen über ein Messfeld von 192 x 256 x 256 mm3, entsprechend einer isotropen Voxelgröße von 1 mm3, aufgenommen. Bei unveränderten anderen Parametern wurde das Messfeld anschließend auf 192 x 192 x 192 mm3 reduziert, so dass eine Voxelgröße von 0.75 x 0.75 x 1 mm3 erreicht wurde. Dabei wurde darauf geachtet, dass das Gehirn in allen drei Raumrichtungen vollständig im Sichtfeld enthalten war. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses wurden zwei unabhängige Messungen durchgeführt und addiert.

Weitere Mehrschichtaufnahmen wurden mit herkömmlichen 2D Spin-Echo Schnittbildtechniken mit variierenden Kontrastparametern durchgeführt. Zusätzlich zu den MR-tomografischen Verfahren wurde versucht, ein lokalisiertes MR-Spektrum der Wasserstoffatomkerne (Protonen) aus einem 4 mL großen parieto-okzipitalen Bereich der weißen Hirnsubstanz aufzunehmen. Ziel dieser MR-Spektroskopie war – nach Unterdrückung des Signals der Wasserprotonen – eine Analyse der chemischen Zusammensetzung des ausgewählten Bereichs. Der Versuch schlug jedoch fehl, da innerhalb des präparierten Gehirns im Gegensatz zu in vivo Bedingungen die für die Untersuchung notwendige Homogenität des Magnetfeldes nicht zu erreichen war. Darüber hinaus scheinen die T2 (und T2*) Relaxationszeiten vermutlich wegen des Wasserverlustes durch die Präparation gegenüber lebendem Gewebe sehr stark verkürzt zu sein, was zu entsprechend verbreiterten Resonanzlinien und schlechter spektraler Auflösung beiträgt.

Im Anschluss an die MRT-Untersuchung wurde das Gehirn in das Institut für Rechtsmedizin zurückgebracht, wo es in seinem Originalgefäß mit einer 4%-igen Formalinlösung neu präpariert wurde. Aufbewahrungsort des Gehirns ist wie zuvor das Institut für Geschichte und Ethik der Medizin.

 

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Abbildung 4: 3D MR-Tomografie des Gehirns von Gauß. Oben: Rekonstruktion der äußeren Oberfläche in einer Betrachtung von oben. Unten: Transversales Schnittbild in einer zur Schädelbasis parallelen Ebene in Höhe der Basalganglien (Sicht von unten).

Figure 4: 3D MRI of Gauss' brain. Top: Superior surface reconstruction. Bottom: Transverse section parallel to the base of the skull through the basal ganglia (the section is viewed from the bottom).

 

 

Erste Ergebnisse

Die Abbildung 3 zeigt passend zur Fotografie der Abbildung 2 eine Rekonstruktion der Oberfläche des Gaußschen Gehirns in einer Betrachtung von der rechten Seite sowie ein sagittales Querschnittsbild in einer zur Seite parallelen Ebene mit Darstellung des Hippokampus, der u.a. für das 'deklarative' Langzeitgedächtnis für Ereignisse und Fakten verantwortlich ist. Eine atrophische Volumenreduktion des Hippokampus, wie sie z.B. bei Patienten mit Epilepsie, der Alzheimerschen Krankheit oder mit psychischen Störungen wie Schizophrenie gefunden wird (7), ist nicht festzustellen. Ergänzend zeigt die Abbildung 4 eine Draufsicht auf das Gehirn sowie ein transversales Querschnittsbild durch die Basalganglien in einer Ebene parallel zur Schädelbasis. Alle Aufnahmen stammen aus dem hochaufgelösten 3D Datensatz oder wurden aus ihm errechnet.

Bei der Beurteilung der Querschnittsbilder ist zu beachten, dass die Aufnahmen des präparierten Gehirns – anders als die gewohnten MRT-Bilder lebenden Gewebes – eine Inversion der Kontraste aufweisen, d.h. eine Vertauschung der unterschiedlichen Graustufen-Intensitäten zwischen grauer und weißer Hirnsubstanz. Der Kontrast beruht bei der verwendeten Technik im wesentlichen auf den Unterschieden in der T1 Relaxationszeit. Eine Verkürzung der T1 Relaxationszeit der außen liegenden grauen Hirnsubstanz im präparierten Gehirn gegenüber den Bedingungen lässt sich durch eine geringere Mobilität der Wasserprotonen erklären, die durch den Wasserentzug durch die äthanol-haltige Lösung verursacht wird. Dieser
Effekt ist in der innen liegenden weißen Hirnsubstanz weniger ausgeprägt.
Aufgrund einer vorläufigen Begutachtung des Bildmaterials, die Dr. Andreas Frewer vom Institut für Ethik und Geschichte der Medizin vorgenommen hat, lässt sich feststellen, dass sowohl vom makroskopischen Gesamtbild als auch bezüglich der Gyrierung des Cortex ein – auch angesichts des langen Lagerungsalters – sehr gut erhaltenes Gehirn vorliegt. Insbesondere lassen sich keine unmittelbaren Anzeichen für degenerative Veränderungen finden, wie sie etwa durch die Alzheimersche Krankheit oder durch Verkalkungen der Gefäße hervorgerufen werden. Die Befunde der inneren Bereiche des Gehirns ergeben eine weitere – nunmehr auch unmittelbare – Bestätigung dafür, dass Carl Friedrich Gauß, von dem bekannt ist, dass er nicht an Altersdebilität gelitten hat, mit Sicherheit auch nicht an einer Gehirnblutung oder einer anderweitigen traumatischen Schädigung seines Gehirns verstorben ist.

Schließlich kann festgestellt werden, dass das Gaußsche Gehirn nicht die beim Einsteinschen Gehirn gefundene Besonderheit einer fehlenden Gehirnwindung (parietales Operculum) aufweist, was spekulativ Einsteins besonderer Intelligenz zugeordnet worden ist (6) – ein Bericht, der auch in den deutschen Medien für Aufsehen sorgte. Wie Prof. Folker Hanefeld von der Abteilung Neuropädiatrie des Klinikums dazu bemerkt hat, treten bei Kindern mit Läsionen oder anderen pathologischen Veränderungen in dieser Hirnregion bestimmte Sprachentwicklungsstörungen auf. Auch wenn eine genauere Beurteilung des Gaußschen Gehirns weiteren neuroanatomischen Untersuchungen vorbehalten bleiben muss, so deutet dies bereits jetzt darauf hin, dass die bei Einstein gefundene Abweichung wohl eher mit seiner bekannten frühkindlichen Sprachentwicklungsstörung als mit seiner Genialität als Physiker zu tun hat.

 

Literatur

1. A.D. Wittmann, J. Frahm, W. Hänicke: Magnetresonanz-Tomografie des Gehirns von Carl Friedrich Gauß. Mitt. Gauss-Ges. 36, 9–19 (1999).

2. E. Breitenberger: Gauß und Listing: Topologie und Freundschaft. Mitt. Gauss-Ges. 30, 3–56 (1993).

3. R. Wagner: Vorstudien zu einer wissenschaftlichen Morphologie und Physiologie des menschlichen Gehirns als Seelenorgan. Abh. 1: über die typischen Verschiedenheiten der Windungen der Hemisphären und über die Lehre vom Hirngewicht, mit besonderer Rücksicht auf die Hirnbildung intelligenter Männer. Mit 6 Kupfertafeln. Göttingen: Verlag der Dieterichschen Buchhandlung (1860).

4. R. Wagner: Vorstudien zu einer wissenschaftlichen Morphologie und Physiologie des menschlichen Gehirns als Seelenorgan. Abh. 2: über den Hirnbau der Mikrocephalen mit vergleichender Rücksicht auf den Bau des Gehirns der normalen Menschen und der Quadrumanen. Mit 5 Tafeln. Göttingen: Verlag der Dieterichschen Buchhandlung (1862).

5. H. Wagner: Maassbestimmungen der Oberfläche des grossen Gehirns. Dissertation. Cassel (1864).

6. S.F. Witelson, D.L. Kigar, T. Harvey: The exceptional brain of Albert Einstein. Lancet 353, 2149–2153 (1999).

7. J.W. Haller, A. Banerjee, G.E. Christensen, M. Gado, S. Joshi, M.I. Miller, Y. Sheline, M.W. Vannier, J.G. Csernansky: Three-dimensional hippocampal MR morphometry with high-dimensional transformation of a neuroanatomical atlas. Radiology 202, 504–510 (1997).

 

 

 

Summary

The famous mathematician Carl Friedrich Gauss (1777-1855) was appointed as professor for astronomy to the University of Göttingen in 1807, where he lived until his death in 1855. The day after his death the brain was removed for scientific purposes with permission of Gauss' son Carl Joseph. On the occasion of a re-preparation (in 4% aqueous formaldehyd solution), the brain was investigated with state-of-the-art magnetic resonance methods in our institute. The main purpose was a recording of as much data as possible for a long-term digital storage of Gauss' brain, a backup even available in case of a future loss of the original organ.

 

 

 

Wolfgang Hänicke:

Geb. 1955 in Hohnstedt/Niedersachsen, 1974 Abitur in Northeim. Beginn des Mathematikstudiums in Göttingen. 1981 Diplom in Mathematik (Prof. Dr. Robert Schaback, Institut für Numerische und Angewandte Mathematik). Seit 1978 am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. 1978-1981 als wissenschaftliche Hilfskraft, 1981-1983 DFG-Stipendiat in der Arbeitsgruppe von Dr. Horst-Peter Zingsheim (Abteilung Prof. Dr. Hans Kuhn). Ab 1983 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Biomedizinische NMR von Dr. Jens Frahm (Abteilungen Prof. Dr. Hans Strehlow und Prof. Dr. Manfred Kahlweit), seit 1993 in der Biomedizinische NMR Forschungs GmbH am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. Arbeitsgebiete: NMR-Tomografie, lokalisierte NMR-Spektroskopie; Bildverarbeitung.

 

Prof. Dr. Jens Frahm:

Geb. 1951 in Oldenburg/Niedersachsen, 1969 Abitur in Oldenburg und Beginn des Physikstudiums in Göttingen. 1974 Diplom in Physik (Diplomarbeit bei Prof. Dr. Hans Strehlow), 1977 Promotion in Physikalischer Chemie (Doktorarbeit bei Prof. Dr. Hans Strehlow), anschließend Wissenschaftlicher Assistent am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie (Prof. Dr. Hans Strehlow, Prof. Dr. Manfred Kahlweit), 1982 Gründung der Arbeitsgruppe Biomedizinische NMR. Seit 1993 Wissenschaftlicher Leiter und Geschäftsführer der Biomedizinischen NMR Forschungs GmbH (gemeinnützig) am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. 1994 Habilitation in Physikalischer Chemie, 1997 Ernennung zum außerplanmäßigen Professor, Fakultät für Chemie der Universität Göttingen. Autor von ca. 220 Veröffentlichungen. 1989 Europäischer Kernspintomographie-Preis, 1990 European Magnetic Resonance Award, 1991 Gold Medal der Society of Magnetic Resonance in Medicine, 1993 Karl Heinz Beckurts-Preis, 1996 Niedersachsen-Preis für Wissenschaft. Arbeitsgebiete: NMR-Tomografie, lokalisierte NMR-Spektroskopie; Biochemische, physiologische und funktionelle Untersuchungen des zentralen Nervensystems (Mensch, Tier).

 

Dr. Axel D. Wittmann:

Geb. 1943 in Hannover. Gymnasium und Abitur in Braunschweig. Studium der Physik und Astronomie in Göttingen (Diplom 1969, Promotion 1973). Seit 1973 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universitäts-Sternwarte Göttingen. Mitglied u.a. der Astronomischen Gesellschaft, der International Astronomical Union und der European Astronomical Society. Arbeitsgebiete: Strahlungstransport in Sternatmosphären, Sonnenphysik, Spektroskopie, Numerische Astrophysik, Himmelsmechanik und Reduktion von Beobachtungen, Computersteuerung von Teleskopen und Datenerfassung, Geschichte der Astronomie.




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