Funktionelle Magnetresonanztomographie

fMRT-Aufnahme des Gehirns eines 24-jährigen Probanden.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie, abgekürzt fMRT oder fMRI (für engl. functional magnetic resonance imaging), ist ein bildgebendes Verfahren mit hoher räumlicher Auflösung, 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) darstellen können ; 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 .

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 oben). Das Bild ist entstanden an einem MRT-Gerät der Firma General Electric bei einer Magnetfeldstärke von 1,5 Tesla.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie ist eine relativ junge Weiterentwicklung der klassischen Magnetresonanztomographie, sie erweitert die MRT um einen funktionellen Anteil. Durch fMRT-Aufnahmen ist es möglich, Durchblutungsänderungen sichtbar zu machen, die auf Stoffwechselvorgänge zurückgeführt werden, die wiederum mit neuronaler Aktivität in Zusammenhang stehen sollen (BOLD-Effekt). Um so Rückschlüsse auf den Ort einer neuronalen Aktivität zu ziehen, wird der (oxygenierte) Blutgehalt des Gewebes zu zwei Zeitpunkten verglichen - z. B. in Experimental- und Kontrollbedingung. Diese Durchblutungsunterschiede werden dann auf statistische Signifikanz hin überprüft, d. h. es werden solche Orte gesucht an denen der Durchblutungsunterschied am wahrscheinlichsten nicht auf zufällige Schwankungen zurückzuführen ist. 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-Effekts 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

1946 machten Bloch und Purcell unabhängig voneinander eine Entdeckung, die ca. 30 Jahre später das bildgebende Verfahren in der klinischen Radiologie erneut revolutionieren sollte: die nuklearmagnetische Resonanz (NMR) in festen Körpern. Es resultierte die Magnetresonanz-Spektroskopie, eine Untersuchung zur Analyse von chemischen Strukturen und Reaktionsabläufen. Erst 1973 wurde diese Untersuchungsmethode durch Lauterbur zum bildgebenden Verfahren weiterentwickelt, das in der Lage war, organische Strukturen graphisch darzustellen (Lauterbur 1973). Das erste Bild mit einem Magnetresonanztomographen eines Menschen wurde dann vier Jahre später von Mansfield aufgenommen (Mansfield und Maudsley 1977). Von nun an wurde die neue Technik zur medizinischen Untersuchung genutzt. Erstmals bestand die Möglichkeit, höher auflösende Bilder mit stärkeren Kontrasten von Patienten zu erstellen, als es bis dahin mit dem CT möglich war. Außerdem besteht im Gegensatz zum CT bei der MRT-Technik keine Strahlenbelastung, nachteilig dagegen ist bis zum jetzigen Zeitpunkt der relativ hohe Preis und die geringere Verfügbarkeit. Im Jahre 1982 stellte Thulborn fest, dass sich Hämoglobin in Blutproben in Abhängigkeit vom Oxygenierungsgrad in seinem MRT-Signal unterschiedlich darstellt (Thulborn et al. 1982). Die Tatsache, dass sich die magnetischen Eigenschaften von Hämoglobin in Abhängigkeit des Oxygenierungsgrades verändern, war bereits Pauling 1935 aufgefallen. Die gleiche Entdeckung wurde 1990 von Ogawa in vivo an Probanden gemacht (Ogawa et al. 1990a). Die Eigenschaft des Hämoglobins, unterschiedliche MRT-Signale zu verursachen, wurde blood oxygenation level dependent (BOLD)-Effekt genannt.

Technik

Magnetresonanztomograph der University of California, Berkeley

Kopfspule (head coil): die Spule ist notwendig, um bestimmte fMRT-Sequenzen schalten zu können

Die funktionelle Kernspintomographie (fMRT, fMRI) stellt eine Möglichkeit dar, funktionelle Zusammenhänge biologischer Strukturen (meist die Stoffwechselaktivität von Hirnarealen) darzustellen. Hierbei macht man sich die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Blut zu nutze (BOLD-Effekt). Bei der Aktivierung von Kortexarealen kommt es zu einer Steigerung des Stoffwechsels, wodurch das aktivierte Areal mit einer überproportionalen Erhöhung des Blutflusses reagiert. Dadurch erhöht sich die Konzentration von oxigeniertem relativ zu desoxigeniertem Hämoglobin, was zu einer Veränderung der effektiven Querrelaxationszeit und damit zu einer Signaländerung führt.

Aufnahmen zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (Ruhezustand und stimulierter Zustand) können (wie auch z.B. bei der digitalen Subtraktionsangiographie) durch statistische Testverfahren miteinander verglichen und die Unterschiede (=stimulierte Areale) räumlich zugeordnet und dargestellt werden.

Grenzen

Im Vergleich zu den anderen etablierten nicht-invasiven neurophysiologischen Untersuchungsmethoden, etwa EEG/ERP, zeigt das (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 -oxigenierung geschlossen. Wie diese beiden Aspekte zusammenhängen ist aber noch Gegenstand aktueller Forschung.

Darüber hinaus gibt es an den grundlegenden Annahmen und möglichen Erkenntnissen aus fMRT-Untersuchungen Kritik, die darauf beruht, dass die Visualisierung der Messdaten des fMRT eine konstruktive Komponente hat, wodurch eher die Modellvorstellungen der Forscher als tatsächliche Vorgänge dargestellt werden könnten.

Siehe auch

• Neuroethik
• Blood Oxygen Level Dependency

Weblinks

• Leicht verständliche Einführung in das Thema fMRT
• fmri for newbies Englischsprachige, umfangreiche Seite zur fMRT
• Artikel Functional Magnetic Resonance Imaging auf Scholarpedia (englisch)

Dieser Artikel behandelt ein Gesundheitsthema. Er dient nicht der Selbstdiagnose und ersetzt nicht eine Diagnose durch einen Arzt. Bitte hierzu den Hinweis zu Gesundheitsthemen beachten!