„BOLD-Kontrast“ – Versionsunterschied

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== Geschichtliche Entwicklung ==
== Geschichtliche Entwicklung ==
Bereits 1935 stellte [[Linus Pauling]] fest, dass sich die magnetischen Eigenschaften des Proteins [[Hämoglobin]] in den roten Blutkörperchen abhängig vom [[Sauerstoffsättigung|Oxygenierungsgrad]] verändern.<ref>{{Literatur |Autor=Pauling L |Titel=The oxygen equilibrium of hemoglobin and its structural interpretation |Sammelwerk=Proc Natl Acad Sci U S A |Jahr=1935 |Band=Bd.&nbsp;21 |Nummer=4 |Seiten=186–191 |PMID=16587956}}</ref> Im Jahr 1982 zeigten Keith Thulborn und Mitarbeiter, dass Hämoglobin in Blutproben unterschiedliche MRT-Signale in Abhängigkeit vom Oxygenierungszustand aufweist.<ref name="Thulborn1982">{{Literatur |Autor=Thulborn KR, Waterton JC, Matthews PM, Radda GK |Titel=Oxygenation dependence of the transverse relaxation time of water protons in whole blood at high field |Sammelwerk=Biochim Biophys Acta |Band=Bd.&nbsp;714 |Nummer=2 |Seiten=265–270 |Jahr=1982 |DOI=10.1016/0304-4165(82)90333-6 |PMID=6275909}}</ref> Den gleichen Effekt beobachteten 1990 [[Seiji Ogawa]] und Mitarbeiter ''in vivo'' an Versuchstieren; von ihnen wurde auch die Bezeichnung „blood oxygenation level dependent (BOLD)“-Kontrast geprägt.<ref>{{Literatur |Autor=[[Seiji Ogawa|Ogawa S]], Lee TM, Kay AR, Tank DW |Titel=Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation |Sammelwerk=Proc Natl Acad Sci U S A |Jahr=1990 |Band=Bd.&nbsp;87 |Nummer=24 |Seiten=9868–9872 |PMID=2124706O}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, Glynn P |Titel=Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields| Sammelwerk=Magn Reson Med |Jahr=1990 |Band=Bd.&nbsp;14 |Nummer=1 |Seiten=68–78 |DOI=10.1002/mrm.1910140108 |PMID=2161986}}</ref> Ogawa erkannte auch das Potential, welches der BOLD-Kontrast für die funktionelle MRT (fMRT) haben würde. Erste fMRT-Ergebnisse, welche die Hirnaktivität nach visueller Stimulation zeigten, wurden 1992 von John W. Belliveau und Mitarbeitern veröffentlicht.<ref>{{Literatur |Autor=Belliveau JW, Kennedy DN, McKinstry RC, Buchbinder BR, Weisskoff RM, Cohen MS, Vevea JM, Brady TJ, Rosen BR |Jahr=1991 |Titel=Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging |Sammelwerk=Science |Band=Bd.&nbsp;254 |Seiten=716–719 |DOI=10.1126/science.1948051 |PMID=1948051}}</ref>
Bereits 1935 stellte [[Linus Pauling]] fest, dass sich die magnetischen Eigenschaften des Proteins [[Hämoglobin]] in den roten Blutkörperchen abhängig vom [[Sauerstoffsättigung|Oxygenierungsgrad]] verändern.<ref>{{Literatur |Autor=Pauling L |Titel=The oxygen equilibrium of hemoglobin and its structural interpretation |Sammelwerk=Proc Natl Acad Sci U S A |Jahr=1935 |Band=Bd.&nbsp;21 |Nummer=4 |Seiten=186–191 |PMID=16587956}}</ref> Im Jahr 1982 zeigten Keith Thulborn und Mitarbeiter, dass Hämoglobin in Blutproben unterschiedliche MRT-Signale in Abhängigkeit vom Oxygenierungszustand aufweist.<ref name="Thulborn1982">{{Literatur |Autor=Thulborn KR, Waterton JC, Matthews PM, Radda GK |Titel=Oxygenation dependence of the transverse relaxation time of water protons in whole blood at high field |Sammelwerk=Biochim Biophys Acta |Band=Bd.&nbsp;714 |Nummer=2 |Seiten=265–270 |Jahr=1982 |DOI=10.1016/0304-4165(82)90333-6 |PMID=6275909}}</ref> Den gleichen Effekt beobachteten 1990 [[Seiji Ogawa]] und Mitarbeiter ''in vivo'' an Versuchstieren; von ihnen wurde auch die Bezeichnung „blood oxygenation level dependent (BOLD)“-Kontrast geprägt.<ref>{{Literatur |Autor=[[Seiji Ogawa|Ogawa S]], Lee TM, Kay AR, Tank DW |Titel=Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation |Sammelwerk=Proc Natl Acad Sci U S A |Jahr=1990 |Band=Bd.&nbsp;87 |Nummer=24 |Seiten=9868–9872 |PMID=2124706O}}</ref><ref name="Ogawa1990b">{{Literatur |Autor=Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, Glynn P |Titel=Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields| Sammelwerk=Magn Reson Med |Jahr=1990 |Band=Bd.&nbsp;14 |Nummer=1 |Seiten=68–78 |DOI=10.1002/mrm.1910140108 |PMID=2161986}}</ref> Ogawa erkannte auch das Potential, welches der BOLD-Kontrast für die funktionelle MRT (fMRT) haben würde. Erste fMRT-Ergebnisse, welche mithilfe des BOLD-Kontrasts die Hirnaktivität nach visueller Stimulation zeigten, wurden 1992 von John W. Belliveau und Mitarbeitern veröffentlicht.<ref>{{Literatur |Autor=Belliveau JW, Kennedy DN, McKinstry RC, Buchbinder BR, Weisskoff RM, Cohen MS, Vevea JM, Brady TJ, Rosen BR |Jahr=1991 |Titel=Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging |Sammelwerk=Science |Band=Bd.&nbsp;254 |Seiten=716–719 |DOI=10.1126/science.1948051 |PMID=1948051}}</ref>


== Physikalische Grundlagen ==
== Physikalische Grundlagen ==
Desoxygeniertes Hämoglobin (desHb) ist [[Paramagnetismus|paramagnetisch]], mit Sauerstoff oxygeniert (oxyHb) wird es dagegen [[Diamagnetismus|diamagnetisch]]. MRT-Aufnahmen bilden das [[Relaxation (NMR)|Relaxationsverhalten]] der Wasserstoffkerne in der Probe (das sich für Flüssigkeiten und verschiedene Gewebe unterscheidet) als Kontrast ab. Das starke magnetische Dipolfeld des desHb verkürzt die Relaxationszeiten in seiner Umgebung stark und ändert deswegen abhängig von seiner Konzentration den Kontrast des Bildes.<ref name="Thulborn1982" />
Desoxygeniertes Hämoglobin (desHb) ist [[Paramagnetismus|paramagnetisch]], mit Sauerstoff oxygeniert (oxyHb) wird es dagegen [[Diamagnetismus|diamagnetisch]]. MRT-Aufnahmen bilden das [[Relaxation (NMR)|Relaxationsverhalten]] der Wasserstoffkerne in der Probe (das sich für Flüssigkeiten und verschiedene Gewebe unterscheidet) als Kontrast ab. Das starke magnetische Dipolfeld des desoxygenierten Hämoglobins verkürzt die (transversalen) Relaxationszeiten in seiner Umgebung stark und ändert deswegen abhängig von seiner Konzentration den Kontrast des Bildes.<ref name="Thulborn1982" />


== Nutzen des BOLD-Effekts ==
== Nutzen des BOLD-Effekts ==
Der BOLD-Effekt lässt sich zur Messung von neuronaler Aktivität ([[Funktionelle Magnetresonanztomographie]], fMRT) einsetzten. Man geht dabei davon aus, dass bei Aktivität des [[Zentralnervensystem|zentralen Nervensystems]] (ZNS) es zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch des ZNS kommt und dadurch die absolute Menge an desHb im Vergleich zu Ruhe im Blut ansteigt. In der Theorie würde dies zu einer Verkürzung der [[Relaxation (NMR)|Spin-Spin-Relaxation]] (Querrelaxationzeit, T2-Relaxationszeit) und damit einer Signalabnahme im [[Magnetresonanztomographie|MRT]] führen, da mehr desHb zu einer verkürzten [[Relaxation (NMR)|T2-Relaxationszeit]] führt. Vergleicht man den BOLD-Effekt (BOLD-Signal) während neuronaler Ruhe mit Aktivität stellt man aber fest, dass es zu einem Signalanstieg und nicht zu einer Verringerung kommt. Die Ursache dafür liegt im physiologischen Verhalten des ZNS bei Aktivität. Bei Aktivität steigt der zerebrale Blutfluss und das zerebrale Blutvolumen überproportional an. Dadurch kommt es zu einer Abnahme der Konzentration des desHb, obwohl die absolute Menge desHb ansteigt, und die Interferenz mit dem Magnetfeld des [[Magnetresonanztomographie|MRT]]-Scanner ist geringer. Daraus resultiert eine Zunahme des Signals.
Der BOLD-Effekt lässt sich zur Messung von neuronaler Aktivität mittels fMRT einsetzten. Man geht dabei davon aus, dass es bei Aktivität des [[Zentralnervensystem|zentralen Nervensystems]] (ZNS) zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch des ZNS kommt und dadurch die absolute Menge an desHb im Vergleich zu Ruhe im Blut ansteigt. In der Theorie würde dies zu einer Verkürzung der [[Relaxation (NMR)|Spin-Spin-Relaxation]] (Querrelaxationszeit, T2(*)-Relaxationszeit) und damit einer Signalabnahme im [[Magnetresonanztomographie|MRT]] führen, da mehr desHb zu einer verkürzten [[Relaxation (NMR)|T2-Relaxationszeit]] führt. Vergleicht man den BOLD-Effekt (BOLD-Signal) während neuronaler Ruhe mit Aktivität stellt man aber fest, dass es zu einem Signalanstieg und nicht zu einer Verringerung kommt. Die Ursache dafür liegt im physiologischen Verhalten des ZNS bei Aktivität. Bei Aktivität steigt der zerebrale Blutfluss und das zerebrale Blutvolumen überproportional an. Dadurch kommt es zu einer Abnahme der Konzentration des desHb, obwohl die absolute Menge desHb ansteigt, und die Interferenz mit dem Magnetfeld des [[Magnetresonanztomographie|MRT]]-Scanner ist geringer. Daraus resultiert eine Zunahme des Signals.


Durch den BOLD-Effekt lassen sich mit der [[Suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung|suszeptibilitätsgewichteten Bildgebung]] (SWI) MR-Venographien erstellen. Das SWI-Verfahren trug zu Beginn den Namen BOLD, dieser wurde dann durch den allgemeineren Begriff ‚suszeptibilitätsgewichtet‘ ersetzt, da BOLD-basierte Venographien nur ein Anwendungszweck dieses Verfahrens sind.<ref name="pmid11746938">{{cite journal | author = Reichenbach JR, Haacke EM | title = High-resolution BOLD venographic imaging: a window into brain function | journal = [[NMR Biomed]] | volume = 14 | issue = 7-8 | pages = 453–67 | year = 2001 | pmid = 11746938 | doi = | url = http://dx.doi.org/10.1002/nbm.722 | issn = }}</ref>
Durch den BOLD-Effekt lassen sich mit der [[Suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung|suszeptibilitätsgewichteten Bildgebung]] (SWI) MR-Venographien erstellen. Das SWI-Verfahren trug zu Beginn den Namen BOLD, dieser wurde dann durch den allgemeineren Begriff ‚suszeptibilitätsgewichtet‘ ersetzt, da BOLD-basierte Venographien nur ein Anwendungszweck dieses Verfahrens sind.<ref name="pmid11746938">{{Literatur |Autor=Reichenbach JR, Haacke EM |Titel=High-resolution BOLD venographic imaging: a window into brain function |Sammelwerk=NMR Biomed |Band=Bd.&nbsp;14 |Nummer=7–8 |Seiten=453–67 |Jahr=2001 | PMID=11746938 |DOI= 10.1002/nbm.722}}</ref>


== Grenzen des Verfahrens ==
== Grenzen des Verfahrens ==
* Durch den BOLD-Effekt wird keine neuronale Aktivität ausgedrückt. Er erfasst nur eine [[Hämodynamik|hämodynamische]] Veränderung bei angenommener neuronaler Aktivität. Die neuronale Aktivität wird also nur indirekt gemessen. Dabei wird ein grob lineares Verhältnis zwischen [[Stimulus|Stimuli]], die länger als vier Sekunden sind, und BOLD-Effekt angenommen (Dale und Bruckner 1997). Dass bei kürzeren Stimuli der BOLD-Effekt zuverlässig neuronale Aktivität wiedergibt, ist strittig.
* Durch den BOLD-Effekt wird keine neuronale Aktivität ausgedrückt. Er erfasst nur eine [[Hämodynamik|hämodynamische]] Veränderung bei angenommener neuronaler Aktivität. Die neuronale Aktivität wird also nur indirekt gemessen. Dabei wird ein grob lineares Verhältnis zwischen [[Stimulus|Stimuli]], die länger als vier Sekunden sind, und BOLD-Effekt angenommen<ref>{{Literatur |Autor=Dale AM, Buckner RL |Titel=Selective averaging of rapidly presented individual trials using fMRI |Sammelwerk=Human Brain Mapping |Band=Bd.&nbsp;5 |Nummer=5 |Seiten=329–340 |Jahr=1997 |PMID=20408237 |DOI=10.1002/(SICI)1097-0193(1997)5:5<329::AID-HBM1>3.0.CO;2-5}}</ref>. Dass bei kürzeren Stimuli der BOLD-Effekt zuverlässig neuronale Aktivität wiedergibt, ist strittig.


* 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 (Ogawa et al. 1990b).
* 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.<ref name="Ogawa1990b" />


* Wird bei der Messung des BOLD-Effekts eine minimale Größe des Mess-[[Voxel]]s unterschritten, können Gefäße, die einen Querschnitt haben, der größer ist als die festgelegte Voxelgröße, fälschlicherweise als neuronale Aktivität gedeutet werden (Frahm 1993).
* Wird bei der Messung des BOLD-Effekts eine minimale Größe des Mess-[[Voxel]]s unterschritten, können Gefäße, die einen Querschnitt haben, der größer ist als die festgelegte Voxelgröße, fälschlicherweise als neuronale Aktivität gedeutet werden.<ref> {{Literatur |Autor=Frahm J, Merboldt KD, Hänicke W |Titel=Functional MRI of human brain activation at high spatial resolution |Sammelwerk=Magn Reson Med |Band=Bd.&nbsp;29 |Nummer=1 |Seiten=139–144 |Jahr=1993 |PMID=8419736 |DOI=10.1002/mrm.1910290126}}</ref>


== Literatur ==
== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=B. Derntl, U. Habel, F. Schneider |Titel=Funktionelle Magnetresonanztomographie in der Psychiatrie und Psychotherapie |Sammelwerk=Der Nervenarzt |Band=Bd.&nbsp;81 |Number=1 |Seiten=16–23 |DOI=10.1007/s00115-009-2827-9 |PMID=20057981}}
* Dale AM, Buckner RL.: ''Selective averaging of rapidly presented individual trials using fMRI''. In: Hrsg. Human Brain Mapping. Aufl. 329-340 (1997).
* {{Literatur |Herausgeber=Scott H. Faro, Feroze B. Mohamed |Titel=BOLD fMRI: A Guide to Functional Imaging for Neuroscientists |Verlag=Springer |Ort=New York |ISBN=978-1-4419-1328-9 |Jahr=2010 |Online={{Google Buch |BuchID=MkjTO4wx-bkC}}}}
* Frahm J, Merboldt KD, Hanicke W.: ''Functional MRI of human brain activation at high spatial resolution''. Magn Reson Med, 29 (1):139-144 (1993).


== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==

Version vom 14. April 2011, 15:00 Uhr

Als „Blood Oxygenation Level Dependent“- oder BOLD-Kontrast bezeichnet man in der Magnetresonanztomographie (MRT) die Abhängigkeit des (Bild-)Signals vom Sauerstoffgehalt in den roten Blutkörperchen. Die Hauptanwendung des BOLD-Kontrasts ist die funktionelle MRT (fMRT) zur Darstellung der Hirnaktivität. Synonym wird auch die Bezeichnung „Blood Oxygen Level Dependent“-Kontrast oder (seltener) Blood Oxygen(ation) Level Dependence/Dependency verwendet.

Geschichtliche Entwicklung

Bereits 1935 stellte Linus Pauling fest, dass sich die magnetischen Eigenschaften des Proteins Hämoglobin in den roten Blutkörperchen abhängig vom Oxygenierungsgrad verändern.[1] Im Jahr 1982 zeigten Keith Thulborn und Mitarbeiter, dass Hämoglobin in Blutproben unterschiedliche MRT-Signale in Abhängigkeit vom Oxygenierungszustand aufweist.[2] Den gleichen Effekt beobachteten 1990 Seiji Ogawa und Mitarbeiter in vivo an Versuchstieren; von ihnen wurde auch die Bezeichnung „blood oxygenation level dependent (BOLD)“-Kontrast geprägt.[3][4] Ogawa erkannte auch das Potential, welches der BOLD-Kontrast für die funktionelle MRT (fMRT) haben würde. Erste fMRT-Ergebnisse, welche mithilfe des BOLD-Kontrasts die Hirnaktivität nach visueller Stimulation zeigten, wurden 1992 von John W. Belliveau und Mitarbeitern veröffentlicht.[5]

Physikalische Grundlagen

Desoxygeniertes Hämoglobin (desHb) ist paramagnetisch, mit Sauerstoff oxygeniert (oxyHb) wird es dagegen diamagnetisch. MRT-Aufnahmen bilden das Relaxationsverhalten der Wasserstoffkerne in der Probe (das sich für Flüssigkeiten und verschiedene Gewebe unterscheidet) als Kontrast ab. Das starke magnetische Dipolfeld des desoxygenierten Hämoglobins verkürzt die (transversalen) Relaxationszeiten in seiner Umgebung stark und ändert deswegen abhängig von seiner Konzentration den Kontrast des Bildes.[2]

Nutzen des BOLD-Effekts

Der BOLD-Effekt lässt sich zur Messung von neuronaler Aktivität mittels fMRT einsetzten. Man geht dabei davon aus, dass es bei Aktivität des zentralen Nervensystems (ZNS) zu einem erhöhten Sauerstoffverbrauch des ZNS kommt und dadurch die absolute Menge an desHb im Vergleich zu Ruhe im Blut ansteigt. In der Theorie würde dies zu einer Verkürzung der Spin-Spin-Relaxation (Querrelaxationszeit, T2(*)-Relaxationszeit) und damit einer Signalabnahme im MRT führen, da mehr desHb zu einer verkürzten T2-Relaxationszeit führt. Vergleicht man den BOLD-Effekt (BOLD-Signal) während neuronaler Ruhe mit Aktivität stellt man aber fest, dass es zu einem Signalanstieg und nicht zu einer Verringerung kommt. Die Ursache dafür liegt im physiologischen Verhalten des ZNS bei Aktivität. Bei Aktivität steigt der zerebrale Blutfluss und das zerebrale Blutvolumen überproportional an. Dadurch kommt es zu einer Abnahme der Konzentration des desHb, obwohl die absolute Menge desHb ansteigt, und die Interferenz mit dem Magnetfeld des MRT-Scanner ist geringer. Daraus resultiert eine Zunahme des Signals.

Durch den BOLD-Effekt lassen sich mit der suszeptibilitätsgewichteten Bildgebung (SWI) MR-Venographien erstellen. Das SWI-Verfahren trug zu Beginn den Namen BOLD, dieser wurde dann durch den allgemeineren Begriff ‚suszeptibilitätsgewichtet‘ ersetzt, da BOLD-basierte Venographien nur ein Anwendungszweck dieses Verfahrens sind.[6]

Grenzen des Verfahrens

  • Durch den BOLD-Effekt wird keine neuronale Aktivität ausgedrückt. Er erfasst nur eine hämodynamische Veränderung bei angenommener neuronaler Aktivität. Die neuronale Aktivität wird also nur indirekt gemessen. Dabei wird ein grob lineares Verhältnis zwischen Stimuli, die länger als vier Sekunden sind, und BOLD-Effekt angenommen[7]. Dass bei kürzeren Stimuli der BOLD-Effekt zuverlässig neuronale Aktivität wiedergibt, ist strittig.
  • 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.[4]
  • 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.[8]

Literatur

Einzelnachweise

  1. 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.
  2. a b 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.
  3. 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.
  4. a b 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.
  5. 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.
  6. Reichenbach JR, Haacke EM: High-resolution BOLD venographic imaging: a window into brain function. In: NMR Biomed. Band 14, Nr. 7–8, 2001, S. 453–67, doi:10.1002/nbm.722, PMID 11746938.
  7. 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.
  8. 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.