1.2 Bildgebende Verfahren

Ziel dieser unterschiedlichen Verfahren ist die Darstellung von Strukturen und Aktivitäten des Gehirns, um dadurch ein besseres Verständnis für seine verschiedenen Funktionen zu erlangen

(Die Verfahren können allerdings auch zur klinischen Diagnostik eingesetzt werden)

• Bildgebende Verfahren können grundsätzlich in funktionelle und strukturelle Methoden unterteilt werden

• Diese Unterteilung in funktionelle und strukturelle Bildgebung ist allerdings keine strenge Klassifizierung, sondern dient eher als grober Anhaltspunkt zur Einordnung der Anwendungsmöglichkeiten der verschiedenen Methoden

• Bei der funktionellen Bildgebung werden physiologische und biochemische Prozesse gemessen, wie z. B. Stoffwechselaktivität, Blutfluss, chemische Zusammensetzungen und Verteilungen

• Zur funktionellen Bildgebung zählen dabei auch statische Messungen, wie beispielsweise die Dichte eines bestimmten Rezeptors

• Von manchen Forschern wird der Begriff funktionelle Bildgebung allerdings auch noch etwas enger gefasst

  • bezieht sich dann spezifisch auf die Messung mentaler Prozesse des Gehirns, also auf Verfahren, bei denen zeitlich aufgelöst Bilder der Gehirnfunktionen geliefert werden

  • Man könnte auch sagen, dass man hier dem Gehirn direkt beim Arbeiten zusehen kann.

Strukturelle Bildgebung liefert dagegen räumlich aufgelöste morphologische Abbildungen des Gehirns.

Magnetresonanztomografie

Als Axon oder Neurit bezeichnet man den Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Nervenimpulse vom Zellkörper wegleitet.

Mehrere dieser Fasern sind in Axonbündeln zusammengefasst.

• Mithilfe eines starken Magnetfelds erzeugt die MRT Schnittbilder des Körperinneren

• Durch ihre Detailgenauigkeit zeigen die Bilder auch kleine Veränderungen auf

• Die MRT basiert auf dem Prinzip des Eigendrehimpulses von Atomkernen mit ungerader Protonen- oder Neutronenzahl

• Daher ist ein anderer Name für diese Methode auch Kernspintomografie

• Beispiele dieser im Körper vorkommenden Atome sind Kohlenstoff, Natrium, Phosphor, Helium, Xenon und Wasserstoff

• Meist wird das Signal von Wasserstoff gemessen, da er im Körper die höchste Konzentration aufweist und zudem ein starker Stabmagnet ist

• Wird nun durch den MRT-Scanner ein starkes äußeres Magnetfeld an das Gehirn oder den Körper angelegt, so richten sich die Atomkern-Stabmagneten parallel zueinander aus „wie Kompassnadeln im Erdmagnetfeld“, anstatt wie zuvor ungeordnet in unterschiedliche Richtungen zu zeigen

• Diese Ausrichtung wird nun durch einen sehr kurzen Hochfrequenzimpuls mit definierter Frequenz und Stärke gestört

• Die Wasserstoffkerne nehmen die in den elektromagnetischen Wellen enthaltene Energie auf

• Diese Energieaufnahme bei gleicher Frequenz nennt man auch Wasserstoffkerne gewissermaßen ins Wanken und kippen aus der ordentlichen Reihe

• Ist der Puls vorbei, kommt es zu einer Rückkehr der Atomkerne in die ursprüngliche Lage und sie richten sich wieder parallel zum Magnetfeld aus (Relaxation)

• Hierbei geben sie die aufgenommene Energie in Form einer schwachen hochfrequenten Strahlung wieder ab

• Diese Signale können nun von der Empfängerspule des MRT aufgezeichnet werden, die um den Kopf (oder den Körper) der Versuchsperson angebracht ist

• Die Geschwindigkeit, mit der sich die Wasserstoffkerne nach Abschalten des Pulses wieder zurückdrehen, also die Dauer der Relaxation, hängt davon ab, in welcher Art Gewebe sie sich befinden

• Daher verursachen verschiedene Gewebearten charakteristische Signalstärken, was sich letztendlich durch unterschiedliche Helligkeiten im resultierenden Bild zeigt

• verschiedene Gewebearten verursachen charakteristische Signalstärken, was sich letztendlich durch unterschiedliche Helligkeiten im resultierenden Bild zeigt

• Das ermöglicht die Erstellung dreidimensionaler Bilder der Gehirnanatomie

Miit der MRT können Schädigungen des Gehirns, z. B. nach einem Schlaganfall oder Tumoren, genau lokalisiert werden und auch neuropsychologische Verhaltensabweichungen von Patienten den Ausfällen bestimmter kortikaler Regionen zugeordnet werden

• Die DTI nutzt die MRT zur Messung von Diffusionsbewegungen von Wassermolekülen im Gewebe, die dann räumlich aufgelöst dargestellt werden können

• Die DTI ermöglicht so die indirekte, nichtinvasive ortsaufgelöste Messung der Richtung von Axonbündeln in der weißen Hirnsubstanz

• Ergibt sich aus der geordneten Struktur der Axonbündel

• Die Axone verlaufen meist parallel zueinander und sind von einer Myelinschicht umgeben, die die thermische Bewegung von Wasser quer zur Faser behindert

• Demnach können Wassermoleküle fast ungehindert in Richtung der axonalen und dendritischen Faserverbindungen diffundieren, quer dazu allerdings nur langsam

• Die Diffusionsrichtung der Wassermoleküle zeigt somit die Hauptausrichtung der Faserbündel an

• Bei dieser Methode wird dem Probanden eine leicht radioaktive Substanz in die Blutbahn gespritzt, die sich durchblutungsabhängig auch im Gehirn verteilt

• Die mit Isotopen markierten Liganden bei der PET sind natürlich vorkommende Moleküle, die sich genau wie die physiologischen Substanzen im Körper verteilen und im Zielorgan unter Freisetzung eines Positrons zerfallen

• Das freigesetzte Positron des instabilen Isotops trifft schnell auf ein Elektron, und das führt zur Aussendung von zwei Photonen (Gammaquanten), die sich in entgegengesetzter Richtung voneinander mit Lichtgeschwindigkeit entfernen

• Der PET-Scanner enthält viele ringförmig um die Versuchsperson angeordnete Strahlungsdetektoren, die die Photonen registrieren und den Rückschluss auf den Ort des Zerfalls erlauben

• Im Computer wird dann ein dreidimensionales Bild des Verteilungsmusters (Ort, Zeit und Quantität) dieser Zerfälle erstellt

• Beispiele für Liganden sind Glukose, Wasser oder Neurotransmitter, wie z. B. das Dopamin

• Die Messung des Blutflusses erfolgt beispielsweise mit 15O-markiertem Wasser (H2O)

• Die räumliche Auflösung dieser Methode beträgt etwa 3–6 mm

• Hierfür werden instabile Radioisotope verwendet, die in einem Zyklotron – einem Teilchenbeschleuniger – direkt vor Ort produziert werden

Beispiele für Liganden sind Glukose, Wasser oder Neurotransmitter, wie z. B. das Dopamin

Die Messung des Blutflusses erfolgt beispielsweise mit 15O-markiertem Wasser (H2O)

Die räumliche Auflösung dieser Methode beträgt etwa 3–6 mm

• Ein Nachteil der PET liegt darin, dass es sich hierbei um eine invasive und für den Probanden oft unangenehme Messmethode handelt

• Zudem gibt es gesundheitliche Risiken aufgrund der Strahlenbelastung

Die PET zählt zu den nuklearmedizinischen, molekularen, funktionellen bildgebenden Verfahren

Die fMRT wurde Anfang der 1990er-Jahre zur Messung neuronaler Aktivitätsveränderungen etabliert und stellt eine Weiterentwicklung der MRT dar

Da die fMRT zudem als völlig nebenwirkungsfrei gilt, eröffnet sie viele Möglichkeiten für die Grundlagenforschung, wie z. B. Mehrfachmessungen an einer Versuchsperson oder auch Messungen an Kindern

• Das Signal der fMRT basiert hauptsächlich auf zwei Phänomenen:

  • Zum einen wird in aktiviertes neuronales Gewebe mehr Sauerstoff mit dem Blut transportiert als dort verbraucht wird

    • Das führt zu einer lokalen Anreicherung des Sauerstoffs in Abhängigkeit vom Aktivierungsgrad der Neuronenverbände

  • Zum anderen besitzt das Hämoglobin nach der Sauerstoffbindung – als Oxyhämoglobin – andere magnetische Eigenschaften und sauerstoffreiches Blut führt damit im MRT-Scanner zu einem Signalanstieg

    • Das erlaubt die Sichtbarmachung und Lokalisierung von Sauerstoffanreicherungen im aktivierten Hirngewebe

    • Dieses Signal wird als BOLD-(„Blood Oxygen Level Dependent“-)Effekt bezeichnet

    • Durch die Messung der metabolischen Konsequenzen von neuronaler Aktivität stellt der BOLD-Effekt ein indirektes Maß für die neuronale Aktivität im Gehirn dar

• Signal des fMRTs

• Das Hämoglobin besitzt nach der Sauerstoffbindung – als Oxyhämoglobin – andere magnetische Eigenschaften und sauerstoffreiches Blut führt damit im MRT-Scanner zu einem Signalanstieg

  • Das erlaubt die Sichtbarmachung und Lokalisierung von Sauerstoffanreicherungen im aktivierten Hirngewebe

    1. Dieses Signal wird als BOLD-(„Blood Oxygen Level Dependent“-)Effekt bezeichnet

    2. Durch die Messung der metabolischen Konsequenzen von neuronaler Aktivität stellt der BOLD-Effekt ein indirektes Maß für die neuronale Aktivität im Gehirn dar

• Inzwischen weiß man, dass das Signal stärker mit synaptischer Übertragung als mit den Aktionspotenzialen korreliert

• Die fMRT misst daher synaptische Prozesse, die in Gehirnregionen bei der Verarbeitung von Information auftreten

• Isotope sind gewissermaßen verschiedene Formen eines Elements

• Genauer gesagt, sind sie Atomarten, deren Atomkerne die gleiche Anzahl Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen enthalten

• Beispiele für Sauerstoffisotope sind 16O, 18O oder auch 17O