Methoden I: MRT, fMRT Flashcards
Was sind bildgebende Methoden?
- Methoden, die es erlauben, anatomische Strukturen des Körpers präzise zu visualisieren
- Gemessen werden z.B. Dichte eines Gewebes oder zeitliche Abläufe
- Jedem Punkt des Körpers werden Koordinaten in einem dreidimensionalen System zugeordnet
Zwei besondere Kommissuren für die Bildgebung
- CA: Commisura anterior und
- CP: Commissura posterior
- Die Strukturen definieren die CA-CP-Linie und legen die horizontale Schnittebene fest
- Durch den hinteren Rand der CA verläuft orthogonal zur CA-CP-Linie die VCA Linie
- Die VCA-Linie definiert die vertikofrontale Linie
- der Schnittpunkt CA-CP-Linie und VCA-Linie im Interhämisphärenspalt definiert den Ursprung im Talairach & Tournoux Atlas (1988) einem Hirn-Koordinatensystem (x, y, z)
Magnetresonanztomographie (MRT)
Eine der wichtigsten Methoden der modernen Medizin Eine der wichtigsten Methode in den kognitiven Neurowissenschaften Besondere Eignung da: • Keine ionisierende Strahlung • Keine Radioisotope • Keine Kontrastmittel • Hohe Gewebekontraste • Hohe Auflösung • Hohe Verfügbarkeit
- Atomkerne werden mittels eines sehr starken statischen Magnetfelds (ca. 0.2 – 7 Tesla) räumlich ausgereichtet
- Über elektromagnetische Wechselfelder können diese Atomkerne so beeinflusst werden (Magnetresonanz), dass sie selbst elektromagnetische Energie freisetzen
- Die Amplitude, Frequenz und Phasenlage dieser Energiefreisetzung wird schichtweise bestimmt und in einen Grauwert mit einer räumlichen Position übertragen (Amplitude = Grauwert; Schicht, Phase, Frequenz = Position)
- Verschiedene Gewebe (z.B. Fett, graue Substanz, Weiße Substanz) geben unterschiedlich viel Energie ab und können so von einander abgegrenzt werden
- Atomkerne werden mittels eines sehr starken statischen Magnetfelds (ca. 0.2 – 7 Tesla) räumlich ausgereichtet
- Über elektromagnetische Wechselfelder können diese Atomkerne so beeinflusst werden (Magnetresonanz), dass sie selbst elektromagnetische Energie freisetzen
- Die Amplitude, Frequenz und Phasenlage dieser Energiefreisetzung wird schichtweise bestimmt und in einen Grauwert mit einer räumlichen Position übertragen (Amplitude = Grauwert; Schicht, Phase, Frequenz = Position)
- Verschiedene Gewebe (z.B. Fett, graue Substanz, Weiße Substanz) geben unterschiedlich viel Energie ab und können so von einander abgegrenzt werden
Die Spinpräzession
Radiofrequenzen im Magnetfeld
- Wenn Radiofrequenz (HF-Puls) = Lamorfrequenz (Präzessionsgeschwindigkeit), dann besteht eine Resonanzbedingung und die Spins können beeinflusst werden.
- Daher: Magnetresonanz-Tomographie
90 Grad Puls kippt die Magnetisierung
Longitudinale Relaxation
Signaldifferenz = Grauwerte
T1 - Kontrast
Magnetresonanztomographie (MRT)
- Anwendung in der medizinischen Diagnose Bsp: Multiple Sklerose →
- Anwendung in der neurowissenschaftlichen Forschung. (Bsp. alterungsbedingter Rückgang der kortikalen Dicke)
- Verwendete Maße sind z.B.
- Kortikale Dicke
- Kortikale Fläche
- Kortikales Volumen
- Die Maße unterscheiden sich deutlich in der Art ihrer Berechnung (z.B. Dicke vs. deformationsbasierte Volumenbestimmung)
Strukturelle Konnektivität
Grundlage ist die Brownsche-Molekularbewegung
Regellose Bewegung von Teilchen in einer Flüssigkeit
Im Kontext von diffusionsgewichteter MRT beschreibt der Begriff Diffusion die thermisch induzierte stochastische Bewegung von Wasserstoffmolekülen in Flüssigkeiten
Diese Bewegung lässt sich durch eine Zufallsverteilung beschreiben, bei der die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Wasserstoffmoleküls in Flüssigkeiten nach einer gewissen Zeit gleichmäßig in alle Raumrichtungen verteilt ist und somit eine Kugel beschreibt → Isotrope Diffusion
In Bezug auf das Gehirn wäre Liquor ein Medium mit fast isotroper Diffusion
- Die Protonen weisen unterschiedliche Diffusionseigenschaften in verschiedenen Geweben auf
- In Liquor können sich die Protonen relativ frei bewegen, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist in allen Raumrichtungen gleich
- In der weißen Substanz ist die Diffusion in Richtung der Axone wahrscheinlicher. Sie werden durch die Myelinscheiden in eine Richtung gezwängt und weisen ein elliptisches (anisotropes) Diffusionsmuster auf, das durch den Diffusionstensor beschrieben wird
- Das Maß der Gerichtetheit der Diffusion ist die Fraktionelle Anisotropie (FA)
- Es gibt kein eindeutig zuzuordnendes physiologisches Maß
- Jedoch korreliert die FA mit der Dichte der Faserbahn und dem Durchmesser der Axone (Integrität der Fasern)
- Dichtere und dickere Verbindungen werden als effektiver angesehen
- Als Kontrollmaß der FA kann die mittlere Diffusivität angesehen werden, die sich entsprechend gegensätzlich verhält
- Die räumliche Orientierung der Diffusionstensoren kann ebenfalls bestimmt werden
- Durch Aneinanderreihung lassen sich grobe Schätzungen des Verlaufs der Faserbahnen ableiten (Fibertracking)
- Einzelne Fasern lassen sich allerdings nicht verfolgen, die Auflösung ist durch die Voxelgröße bestimmt (Axone 10-3 kleiner)
- Die räumliche Ausrichtung der Tensoren wird farblich kodiert
Ein fMRT-Beispiel zum Einstieg
• Motorische Areale
Motorische Regionen sind nicht nur dann aktiv, wenn Bewegungen tatsächlich ausgeführt werden, sondern auch bei der Imagination von Bewegungen
Ein fMRT-Beipiel zum Einstieg
• hippocampale & parahippocampale Areale
Im Gyrus parahippocampalis befindet sich die „parahippocampal place area“ (PPA) die räumlicheAnordnungenenkodiertwie z.B.anHäuserfassadenoderinLandschaften. Auch die PPA zeigt eine erhöhte Aktivität bei der Imagination solcher Szenen.
Ein fMRT-Beipiel zum Einstieg
• Patientin 23 Jahre • Schädel Hirn Trauma • Wachkoma Instruktionen während der fMRT-Messung: • Stell Dir vor du spielst Tennis • Besuche alle Räume Deiner Wohnung
- Die Autoren konnten zeigen, dass die Patientin den Instruktionen folgen und die Aufgabe ausführen konnte
- Bisher wurde davon ausgegangen, das Patienten im vegetativen Status keine Funktion der Großhirnrinde aufweisen
- Wegen der Schädigung der Schädelkalotte konnte kein EEG abgeleitet werden
Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)
Das Blut als Kontrastmittel: Der Blood-Oxygen-Level-Dependent (BOLD) Effect
Dynamisches Gleichgewicht zwischen Entnahme/Anlieferung von Sauerstoff im Kapillarbett
- Nachregulation des Blutflusses durch Stimulation
- Überkompensation: Sauerstoffsättigung (Oxygenierung) steigt an
- O2 ist über ein Eisenmolekül an Erythrozyten gebunden und beeinflusst somit das Magnetfeld
Die neurovaskuläre Kopplung: fMRT
• Die neurale Aktivität verändert das extrazelluläre Milieu
• Über die Gliazellen werden vasodilatorische Substanzen freigesetzt
• Die Blutgefäße erweitern sich, Blutfluss, Blutvolumen und Sauerstoffsättigung (Oxygenierung) steigen an
• Diese relative Veränderung der Oxygenierung im Vergleich zur Ruheaktivität
wird gemeinhin als „Aktivität“ interpretiert
• Oxygeniertes Blut unterscheidet sich von deoxygeniertem Blut in seinen magnetischen Eigenschaften
• Oxygenieriets Blut führt zu einem leichten Anstieg des fMRT- Signals
• Blood Oxygen Level
Iannetti & Wise, 2007
Dependent (BOLD) Effect
Was zeigen die farbigen Cluster dieser Bilder an?
-Die Darstellungen können neurale Aktivität anzeigen (z.B. assoziiert mit einer bestimmten Aufgabe)
-Sie können aber auch
-für z.B. Korrelationen (z.B. zwischen Stresshormonen und
Hirnaktivität) stehen
-Für Veränderungen der Hirnsubstanz stehen (z.B. bei Alkoholkonsumstörung)
-Für Veränderungen der strukturellen oder funktionellen Konnektivität
-Es sind statistische parametrische Mappen mit denen die jeweiligen Effekte auf der Hirnoberfläche, in Schichten oder in Glasgehirnen dargestellt werden
-Z.B. als T-Wert, Z-Wert oder räumlichen Tiefe
Funktionelle Konnektivität
- Definition: funktionelle Konnektivität ist als der zeitliche Zusammenhang zwischen räumlich getrennten europhysiologischen Ereignissen definiert.
- Effektive Konnektivität ist definiert als Einfluss, den ein neuroyales System auf die Aktivität eines anderen neuronalen Systems ausübt.
-> Bereiche die gleichzeitig ihre Aktivität ändern sind vermutlich funktionell (und strukturell) verbunden (Konnektivität)
Die Stärke der Konnektivität entspricht dem Korrelationskoeffizienten
Die Richtung der Informationsübertragung wird bei der Effektiven Konnektivität berücksichtigt
