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In-vivo-MRT

Arbeitsgruppe 8.12

Funktionelle Bildgebung des Gehirns

Funktionelle Kernspintomographie (fMRI) ist eine Messmethode, um aktivierte Gehirnareale zu lokalisieren und bildlich darzustellen. Mit einem speziellen Kopfgradienten-Einsatz für den 3-Tesla-Tomographen hat die PTB die Möglichkeit, Messungen am menschlichen Gehirn mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung durchzuführen. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die gleichzeitige Anwendung mehrerer Messmethoden, wie Elektroenzephalographie (EEG), Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS), fMRI, Arterial Spin Labeling (ASL) und MR-Spektroskopie inklusive funktionelle MRS. Mit dieser messtechnischen Kompetenz unterstützt die PTB die medizinischen Kooperationspartner als Core-2-Projekt im Berlin NeuroImaging Center (BNIC).

Anwendung der fMRI

Die kurzen Schaltzeiten des Kopfgradienten-Systems erlauben es, alle 2 Sekunden ein dreidimensionales Bild des gesamten menschlichen Gehirns mit einer isotropen Auflösung von 2 mm aufzunehmen. Die dabei möglichen kurzen Echozeiten von 25 ms reduzieren Suszeptibilitäts-Artefakte so weit, dass auch die Aktivierung in schwierigen Hirnarealen, wie dem ventralen Striatum, messbar wird. Derartige Messungen werden z. B. im Rahmen des BNIC-Projekts P12 "Multimodal Imaging of Dopamine-Glutamate Interaction during Reward Processing in Schizophrenics and Healthy Controls", einer Kooperation mit der Opens external link in new windowKlinik für Psychiatrie und Psychotherapie der Charité, Campus Mitte, durchgeführt.

 

Abb. 1: Kopfgradienten-Einsatz im Tunnel des 3-Tesla-Tomographen. Im Hintergrund ein Projektionsschirm zur visuellen Probandenstimulation, der über einen Kippspiegel betrachtet wird.

 

Abb. 2: Durch visuelle Stimulation aktivierte Gehirnareale; fMRI-Daten: 80*80*37 Voxel, 2,2*2,5*2,0 mm, TR = 2,0 s, TE = 25 ms

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Kombination von fMRI mit NIRS und ASL

Der BOLD-Effekt (Blood Oxygenation Level Dependence), auf dem die meisten fMRI-Messungen beruhen, führt zu einer Änderung des MR-Signals, sobald ein Gehirnareal aktiviert wird. Dieser Zusammenhang ist aber recht komplex und bisher nur in seinen Grundsätzen verstanden. Die Ergebnisse der Neurowissenschaft der letzten fünf Jahre haben gezeigt, dass weitere Messmethoden eingesetzt werden müssen, um das Zusammenspiel der verschiedenen Einzelbeiträge zum BOLD-Effekt zu analysieren. Mit solchen Daten hofft man, ein mathematisches Modell des BOLD-Effekts aufstellen zu können, das dann zu einem tieferen Verständnis der neurologischen Zusammenhänge führt.
NIRS ist wie fMRI eine nichtinvasive Messmethode. Sie nutzt die optischen Eigenschaften im nahen Infrarot-Spektralbereich des oxygenierten und deoxygenierten Bluts, um Gehirnaktivierung zu detektieren.
Die im Fachbereich 8.3 "Biomedizinische Optik" der PTB entwickelte zeitaufgelöste NIRS-Messmethode wurde apparativ an die Bedingungen des MR-Tomographen angepasst und kann nun gleichzeitig mit einer fMRI-Messung eingesetzt werden. Einen Beispieldatensatz bei einem visuell stimulierten Probanden zeigt Abb. 3.

 

Abb. 3: Vergleich der BOLD-fMRI-Daten (obere 3 Kurven) und der NIRS-Daten (untere 3 Kurven), die drei Farben unterscheiden verschiedene Stimulationsdauern (flackerndes Schachbrettmuster). Auffällig ist der zeitliche Versatz von Stimulus und Messdaten von ca. 4 Sekunden.

ASL ist eine Methode, mit der der Blutdurchsatz von Gehirngewebe gemessen werden kann. Dazu wird das arterielle zum Gehirn fließende Blut markiert, indem seine Kernspins invertiert werden. Ca. eine Sekunde später erreicht es das zu untersuchende Gehirnareal und kann dort detektiert werden. Abb. 4 zeigt den Vergleich mit einer gleichzeitigen BOLD-Messung.

 

Abb. 4: Vergleich von fMRI- (rote Kurve) und ASL-Daten (blaue Kurve). Das ausgesuchte Voxel im Bereich des visuellen Kortex zeigt eine erhöhte Durchblutung während einer visuellen Stimulation (flackerndes Schachbrettmuster).

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