Direkte Detektion neuronaler Ströme mittels Niedrigfeld MR

Die Detektion neuronaler Ströme (NS) stellt eine Methode dar, mit der der Informationsfluß neuronaler Aktivität beobachtet werden kann. Jedoch ist die Interpretation existierender Verfahren beschränkt. Bei der Elektro- (EEG) und der Magnetoenzephalographie (MEG) liegt das zum einen an der Mehrdeutigkeit des inversen Problems, zum anderen basiert das bildgebende Verfahren der funktionellen Magnetresonanz (fMRI) auf sekundäre Wirkungen wie dem BOLD Effekt. Um diese Einschränkungen zu umgehen beschäftigen sich Wissenschaftler der Arbeitsgruppe „Biolelektrische Messtechnik“ mit Niedrigfeld MR (NFMR) als eine Alternative zur direkten Messung von NS.

NFMR wird typischerweise bei etwa 1 microTesla betrieben und verwendet zur Detektion der extrem kleinen Messsignale supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs). Bei niedrigen Feldern sind die auftretenden Feldinhomogenitäten des Spulensystems nahezu unbedeutend und es wird eine hohe spektrale Auflösung erreicht. Weiterhin sind auch Einflüsse aufgrund unterschiedlicher magnetischer Suszeptibilitäten, wie z. B. beim BOLD Effekt, vernachlässigbar.

Zwei Verfahrensweisen der Detektion NS im Niedrigfeld wurden vorgeschlagen. Der so genannte resonante Mechanismus hat es zum Ziel, den Einfluss der lokal induzierten neuronalen magnetischen Felder auf die Spindynamik auszunutzen falls die Larmorfrequenz der zerebralen ¹H Protonen sich mit Anteilen im Leistungsdichtespektrum der neuronalen Felder deckt. Wichtig hierbei ist, dass sich letzteres nur bis in den niedrigen kHz Bereich erstreckt und somit nur mit NFMR zugänglich ist.

Die zweite Methode hingegen, genannt DC Mechanismus, basiert auf der Beobachtung lokaler NMR – Linienformänderungen die durch langlebige NS hervorgerufen werden. Diese langlebige Aktivität ist also während einer gesamten MR Aufnahme wirksam und die lokalen evozierten Felder überlagern sich dem angewandten Detektionsfeld. Die räumliche und zeitliche Struktur hängt hierbei von der Gestalt der zugrunde liegenden neuronalen Aktivität ab und führt somit zu unterschiedlichen Einflüssen auf die Linienform des MR Signals.

Basierend auf diesen Überlegungen wird deshalb im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts „Bernstein Fokus Neurotechnologie“ die direkte Messung neuronaler Ströme mittels Niedrigfeld MR an der PTB vorangetrieben. So konnten mit Hilfe von MR Messungen an einem Dipolphantom die prinzipiellen Wirkungsweisen des AC und des DC Mechanismus verifiziert (siehe Abb. 1 und 2) und eine Auflösung des gegenwärtigen Spektrometers für beide Effekte von einigen hundert nAm erreicht werden. Gegenstand momentaner Arbeit ist es, das Signal Rausch Verhältnis ausreichend zu erhöhen um eine Detektion NS mit Dipolstärken von einigen 10 nAm in vivo zu ermöglichen und somit die Basis für eine neue Modalität im Bereich der funktionellen Neuro-Bildgebung zu schaffen.

Abbildung 1: Links: NMR Dipol Phantom. Rechts: Demonstration AC Mechanismus: NMR Amplitude in Abhängigkeit der Dipolstärke bei konstanter Dauer der Phantomansteuerung. Ansteuerung des Phantoms an der Larmorfrequenz führt zu resonanter Spinabsorption und die resultierende präzedierende Magnetisierung wird mit einem SQUID detektiert. Aufgelöste Dipolstärke ~ 300 nAm.

Abbildung 2: Demonstration DC Mechanismus. Links: Ursprüngliche und voneinander abgezogene Spektren. Letzteres zeigt deutlich den Einfluss auf die NMR Linie durch Betrieb des Dipol Phantoms. Rechts: Voneinander abgezogene Spektren in Abhängigkeit der Dipolstärke mit einer aufgelösten Dipolstärke von ~ 300 nAm.

[1] M. Burghoff et al., “SQUID system for MEG and Low Filed Magnetic Resonance”, Metrol. Meas. Syst., Vol. XVI, 371-375, (2009)

[2] M. Burghoff et al., „On the feasibility of neurocurrent imaging by low field NMR“, in preparation

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