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Funktionelle Magnetresonanztomographie

fMRT-Aufnahme des Gehirns eines 24-jährigen Probanden.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie, abgekürzt fMRT oder fMRI (für englisch functional magnetic resonance imaging), ist ein bildgebendes Verfahren, um physiologische Funktionen im Inneren des Körpers mit den Methoden der Magnetresonanztomographie darzustellen. fMRT im engeren Sinn bezeichnet Verfahren, die aktivierte Hirnareale (meist basierend auf der Blutoxygenierung) mit hoher räumlicher Auflösung darstellen können;[1] im weiteren Sinn werden auch andere funktionell bildgebende Techniken wie etwa die dynamische Herz-MRT, die zeitaufgelöste MRT-Untersuchung von Gelenkbewegungen oder die Perfusions-MRT als funktionelle MRT bezeichnet.[2][3]

Einführung

Übersicht der verschieden Beobachtungsebenen einer fMRT-Aufnahme nach linksseitigem „Finger-Tapping“. Die farbig dargestellten Bereiche symbolisieren einen erhöhten Stoffwechsel und somit eine Hirnaktivität. Je weiter die Farbe ins Gelbliche abweicht, desto wahrscheinlicher ist Aktivität. Die Darstellung der Hirnaktivität erfolgt über die BOLD-Antwort der Hirnregionen (siehe Haupttext).

Durch fMRT-Aufnahmen ist es möglich, Durchblutungsänderungen von Hirnarealen sichtbar zu machen, die auf Stoffwechselvorgänge zurückgeführt werden, welche wiederum mit neuronaler Aktivität in Zusammenhang stehen. Hierbei macht man sich die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut zu nutze (BOLD-Kontrast). Bei der Aktivierung von Kortexarealen kommt es zu einer Steigerung des Stoffwechsels, wodurch das aktivierte Areal mit einer überproportionalen Erhöhung des Blutflusses reagiert (sog. neurovaskuläre Kopplung). Dadurch erhöht sich die Konzentration von oxygeniertem (diamagnetischem) relativ zu desoxygeniertem (paramagnetischem) Hämoglobin. Über den intermolekularen Elektronendipol-Kerndipol Relaxationsmechanismus bewirkt diese Konzentrationsänderung eine Veränderung der effektiven transversalen Relaxationszeit der beobachteten Wasserstoff-Kernspins und führt damit zu einer Signaländerung in der MRT. Um so Rückschlüsse auf den Ort einer neuronalen Aktivität zu ziehen, wird das Magnetresonanz-Signal des Gewebes zu zwei Zeitpunkten verglichen – z. B. im stimulierten oder Experimentalzustand einerseits sowie im Ruhe- oder Kontrollzustand andererseits. Die Aufnahmen können durch statistische Testverfahren miteinander verglichen und die statistisch signifikanten Unterschiede (die den stimulierten Arealen entsprechen) räumlich zugeordnet und dargestellt werden.

MRT-Kopfspule: die Spule ist notwendig, um das fMRT-Signal mit ausreichender Empfindlichkeit zu detektieren

Eine fMRT-Untersuchung läuft in der Regel in drei Phasen ab:

  1. Prescan: ein kurzer, gering auflösender Scan. Hiermit kann die korrekte Lagerung des Patienten geprüft werden.
  2. Anatomischer MRT-Scan: ein räumlich hoch auflösender Scan, um die Anatomie des zu untersuchenden Bereichs via Bildfusion detailgetreu darstellen zu können.
  3. Der eigentliche fMRT-Scan: ein schneller Scan, der durch Anwendung des BOLD-Kontrasts Durchblutungsunterschiede im untersuchten Gewebe darstellt.

Bei einer Untersuchung des Gehirns zu Versuchszwecken kann dem Probanden im dritten Teilscan zum Beispiel ein wiederholter Reiz präsentiert werden. Häufig wird der Reiz mit einer Aufgabe für den Probanden verknüpft, etwa der Aufforderung, bei jedem gezeigten Objekt X eine Taste zu drücken. Den meisten Versuchen gemein ist die häufige Wiederholung der Aufgabe. So kann dann durch statistische Verfahren ein Vergleich aufgezeichneter Daten aus der Reizphase mit denen aus der Ruhephase stattfinden. Der hieraus berechnete Unterschied wird dann in Falschfarben auf den zuvor durchgeführten anatomischen MR-Scan projiziert.

Vor allem die Neurologie und Neuropsychologie profitieren von den Möglichkeiten der fMRT. So konnten zum Beispiel durch Vergleichsstudien mit fMRT zwischen Menschen, die an psychischen Störungen wie Depressionen, Angst- und Zwangsstörungen leiden, und gesunden Kontrollpersonen deutliche und z. T. chronifizierte Unterschiede im Hirnstoffwechsel nachgewiesen werden.

Geschichtliche Entwicklung

Bereits 1935 hatte Linus Pauling festgestellt, dass sich die magnetischen Eigenschaften von Hämoglobin in Abhängigkeit vom Oxygenierungsgrad verändern.[4] Dieser Effekt bildet die Grundlagen für die Messung von Hirnaktivitäten mit der funktionellen MRT, die in den 1980er und 1990er Jahren entwickelt wurde. Im Jahre 1982 zeigten Keith Thulborn und Mitarbeiter, dass sich Hämoglobin in Blutproben in Abhängigkeit vom Oxygenierungsgrad in seinem MRT-Signal unterschiedlich darstellt.[5] Die gleiche Beobachtung wurde 1990 von Seiji Ogawa und Mitarbeitern in vivo an Probanden gemacht;[6] die Eigenschaft des Hämoglobins, unterschiedliche MRT-Signale zu verursachen, wurde „blood oxygenation level dependent (BOLD)“-Effekt genannt. Erste fMRT-Ergebnisse, welche die Hirnaktivität nach visueller Stimulation zeigten, wurden 1992 von John W. Belliveau und Mitarbeitern veröffentlicht.[7]

Grenzen

Im Vergleich zu den anderen etablierten nicht-invasiven neurophysiologischen Untersuchungsmethoden, etwa EEG zeigt die (verhältnismäßig junge) fMRT zwar deutlich mächtigere Möglichkeiten in der räumlich-lokalisierenden Untersuchung, aber eine prinzipbedingt sehr viel niedrigere zeitliche Auflösung. Eine zusätzliche Unsicherheit ergibt sich aus dem indirekten Charakter der Methode – die neuronale Aktivität wird nicht direkt gemessen, sondern aus Änderungen von Blutfluss und -oxygenierung geschlossen.[8] Dabei wird ein grob lineares Verhältnis zwischen Stimuli, die länger als vier Sekunden sind, und BOLD-Effekt angenommen[9]. Ob der BOLD-Effekt bei kürzeren Stimuli zuverlässig neuronale Aktivität wiedergibt, ist strittig und noch Gegenstand aktueller Forschung.

Weitere technische Limitationen der fMRT-Messung sind:

  • In intakten Geweben wird der BOLD-Effekt nicht nur durch das Blut in den Gefäßen, sondern auch durch das Zellgewebe um die Gefäße herum verursacht.[10]
  • Wird bei der Messung des BOLD-Effekts eine minimale Größe des Mess-Voxels unterschritten, können Gefäße, die einen Querschnitt haben, der größer ist als die festgelegte Voxelgröße, fälschlicherweise als neuronale Aktivität gedeutet werden.[11]

Darüber hinaus gibt es an den grundlegenden Annahmen und möglichen Erkenntnissen aus fMRT-Untersuchungen Kritik, die darauf beruht, dass die Visualisierung der Messdaten der fMRT eine konstruktive Komponente hat, wodurch eher die Modellvorstellungen der Forscher als tatsächliche Vorgänge dargestellt werden könnten. Des Weiteren fehlten bei zahlreichen Untersuchungen statistische Korrekturrechnungen, um Zufallsergebnisse auszuschließen.[12][13]

Siehe auch

Literatur

  • Scott A. Huettel, Allen W. Song, Gregory McCarthy: Functional Magnetic Resonance Imaging. 2nd Edition Auflage. Palgrave Macmillan, ISBN 978-0-87893-286-3.

Einzelnachweise

  1. ↑ Frank Schneider, Gereon R. Fink (Hrsg.): Funktionelle MRT in Psychiatrie und Neurologie. Springer, Berlin 2007, ISBN 3-540-20474-1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. ↑ Michael Graf,Christian Grill,Hans-Dieter Wedig (Hrsg.): Beschleunigungsverletzung der Halswirbelsäule: HWS-Schleudertrauma. 1. Auflage. Steinkopff, Berlin 2008, ISBN 978-3-7985-1837-7, S. 160–161 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. ↑ Gabriele Benz-Bohm (Hrsg.): Kinderradiologie. 2. Auflage. Thieme, Stuttgart 2005, ISBN 3-13-107492-2, S. 239 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. ↑ Pauling L: The oxygen equilibrium of hemoglobin and its structural interpretation. In: Proc Natl Acad Sci U S A. Band 21, Nr. 4, 1935, S. 186–191, PMID 16587956.
  5. ↑ Thulborn KR, Waterton JC, Matthews PM, Radda GK: Oxygenation dependence of the transverse relaxation time of water protons in whole blood at high field. In: Biochim Biophys Acta. Band 714, Nr. 2, 1982, S. 265–270, doi:10.1016/0304-4165(82)90333-6, PMID 6275909.
  6. ↑ Ogawa S, Lee TM, Kay AR, Tank DW: Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. In: Proc Natl Acad Sci U S A. Band 87, Nr. 24, 1990, S. 9868–9872, PMID 2124706O.
  7. ↑ Belliveau JW, Kennedy DN, McKinstry RC, Buchbinder BR, Weisskoff RM, Cohen MS, Vevea JM, Brady TJ, Rosen BR: Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. In: Science. Band 254, 1991, S. 716–719, doi:10.1126/science.1948051, PMID 1948051.
  8. ↑ Yevgeniy B. Sirotin, Aniruddha Das: Anticipatory haemodynamic signals in sensory cortex not predicted by local neuronal activity. In: Nature. Band 457, S. 475–479, doi:10.1038/nature07664, PMID 19158795.
  9. ↑ Dale AM, Buckner RL: Selective averaging of rapidly presented individual trials using fMRI. In: Human Brain Mapping. Band 5, Nr. 5, 1997, S. 329–340, doi:10.1002/(SICI)1097-0193(1997)5:5<329::AID-HBM1>3.0.CO;2-5, PMID 20408237.
  10. ↑ Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, Glynn P: Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields. In: Magn Reson Med. Band 14, Nr. 1, 1990, S. 68–78, doi:10.1002/mrm.1910140108, PMID 2161986.
  11. ↑ Frahm J, Merboldt KD, Hänicke W: Functional MRI of human brain activation at high spatial resolution. In: Magn Reson Med. Band 29, Nr. 1, 1993, S. 139–144, doi:10.1002/mrm.1910290126, PMID 8419736.
  12. ↑ Großhirn-Voodoo Artikel von Veronika Hackenbroch, Der Spiegel 18/2011 vom 2. Mai 2011
  13. ↑ Craig M. Bennett, Abigail A. Baird, Michael B. Miller and George L. Wolford: Neural Correlates of Interspecies Perspective Taking in the Post-Mortem Atlantic Salmon: An Argument For Proper Multiple Comparisons Correction, JSUR, 1(1):1-5 (2010) (PDF)

Weblinks

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