Funktionelle Magnetresonanz-Tomografie (fMRT)

Mit der fMRT lässt sich über hirnlokale Blutfluss- und Blutoxygenierungsänderungen eine Beziehung zwischen kognitiven Prozessen und den zugrunde liegenden Hirnstrukturen herstellen. Dabei macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass bei vornehmlich T2*-gewichteten MR-Verfahren Hämoglobin im deoxygenierten Zustand ein endogenes Kontrastmittel darstellt. Im Gegensatz zum diamagnetischen Oxyhämoglobin führt das paramagnetische Deoxyhämoglobin zu lokalem Signalverlust im MR-Bild. Diese Eigenschaft kann sowohl in gesunden Probanden als auch in Patienten zur Darstellung der Hirnfunktion genutzt werden.

Führt der Proband beispielsweise eine sensorische, motorische oder kognitive Aufgabe durch, so kommt es zu neuronalen Erregungen. Der damit verbundene lokal erhöhte Sauerstoffbedarf führt zu einem erhöhten Zustrom an arteriellem Blut, was ein Überangebot an Oxyhämoglobin zur Folge hat. Dieser erhöhte Zustrom verursacht ein Auswaschen des paramagnetischen Deoxyhämoglobins, wodurch die lokalen Signalverluste im MR-Bild verringert werden und das MR-Signal lokal ansteigt. Dieser sogenannte BOLD-Effekt (Blood Oxygenation Level Dependent) stellt somit ein indirektes, über die vaskuläre Reaktion vermitteltes Korrelat der neuronalen Aktivität dar.

Um hirnlokale Änderungen des BOLD-Effektes mit sensorischen, motorischen oder kognitiven Prozessen in Beziehung zu setzen, laufen während der funktionellen MR-Messung meist Stimulationsprogramme ab, mit denen zu vorher bestimmten Zeitpunkten exakt definierte Anforderungen an den Probanden gestellt werden (Abb.1). Die mit diesen Ereignissen zeitlich korrelierten Änderungen des BOLD-Signals werden als Indiz gewertet, dass die betreffende Hirnstruktur an der Bearbeitung der Aufgabe beteiligt war (Abb.2). Die Kontrastierung verschiedener experimenteller Bedingungen, die sich in spezifischen Anforderungsdetails unterscheiden, erlaubt eine differenzierte Zuordnung von Verarbeitungsprozessen zu Hirnstrukturen (Abb.3-4).

Abb.2: Die visuelle Stimulation führt zu zeitlich korellierten Signaländerungen im
okzipitalen (visuellen, rot), nicht aber im frontalen(grün) Anteil des Gehirns.

Abb.3: Darstellung der Aktivierungen nach visueller Stimulation im dreidimensionalen
Schnittbild und auf der rekonstruierten Hirnoberfläche.

Abb.4: Retinotope Kartierung: Identifizierung einzelner visueller Areale im okzipitalen Kortex.

Einen methodischen Schwerpunkt stellt in der Forschungsgruppe die simultane Anwendung der fMRT mit anderen in den klinischen Neurowissenschaften wichtigen Verfahren dar. So wird die fMRT unter anderem kombiniert mit der transkraniellen Magnetstimulation (TMS, Abb.5), der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS, Abb.6), peripherer elektrischer Stimulation (Abb.5), der Elektroencephalografie (EEG) und der Elektromyelografie (EMG).

Abb.5: Aktivierung motorischer Hirnareale nach (von rechts nach links) einer komplexen Fingerbewegung, einer einfachen Daumenbewegung, einer elektrischen Stimulation des Nervus medianus, sowie der Stimulation durch überschwellige und unterschwellige TMS (Kessler et al. Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 14 (2006), p 380).

Abb. 6: Modulation der Signaländerungen im supplementär motorischen Areal (SMA) nach einer Fingerbewegungsaufgabe (ft) durch gleichzeitige anodale tDCS (Antal et al. Neuroimage 2011).

Neben der klassischen T2*-gewichteten BOLD-fMRT werden auch neuartige kontrastmittelgestützte Verfahren zur Messung von zerebralen Blutvolumen (CBV)-Änderungen eingesetzt (Abb.7). Hiermit soll insbesondere das genaue Zusammenspiel von hämodynamischen und metabolischen Prozessen, welche in einer BOLD-Signaländerung resultieren, aufgeklärt werden.

Abb. 7: T1-gewichtete Aktivierungskarte in sagittaler Schnittebene nach visueller Stimulation (links) und zugehöriger Signalintensitätszeitverlauf (rechts). Durch vorherige Injektion eines Kontrastmittels wird die stimulusassoziierte Veränderung des lokalen Blutvolumens messbar (Dechent et al., J Cereb Blood Flow Metab 2011).