AG Neuro Imaging: Magnetresonanztomographie (Prof. Kassubek)

VBM ist eine Analysemethode für hochauflösende Volumen-MRT, die für systematische, Untersucher-unabhängige Querschnittsuntersuchungen von Vergleichskollektiven entwickelt wurde und bei der die untersuchte Variable aus dem Graustufenwert der einzelnen Voxel gewonnen wird. Die Technik erlaubt separat für jedes Voxel Vergleiche räumlich normalisierter Gehirne untereinander.

Die Grundlage der Auswertung basiert auf einer statistischen parametrischen Analyse mit dem Softwarepaket Statistical Parametric Mapping (SPM) (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm). Im Sinne des Voxel-basierten Ansatzes wird die globale Variabilität der Bilddaten ausgeglichen und die Intensität der einzelnen Voxel durch Stauchung oder Dehnung im Rahmen der Registrierung moduliert. Die interindividuellen Unterschiede verschiedener Gehirne hinsichtlich Größe und Form sind der Grund, die Variabilität für Vergleichsanalysen zu reduzieren. Diese Korrektur erfolgt bei VBM global für das gesamte Gehirn mit Hilfe sowohl affiner (linearer) Transformationen wie auch nicht-linearer Verformungsalgorithmen (als sogenanntes Brain Warping).

MRT-basierte funktionelle Bildgebung ermöglicht es, dynamische Prozesse im menschlichen Gehirn nichtinvasiv zu untersuchen. Es ist ein nützliches Werkzeug, um funktionelle Veränderungen in kortikalen und subkortikalen Strukturen verschiedener neurologischer und pyschiatrischer Pathologien zu detektieren. In den letzten 10 Jahren führte die konsekutive Weiterentwicklung der funktionellen MRT (fMRT) Experimente und der korrespondierenden Datenanalyse weltweit zu einem deutlichen Anstieg an fMRT Experimenten. Das fMRT ist eine Möglichkeit physiologische Veränderungen des Blutflusses aber auch des Metabolismus zu messen. Ähnlich wie beim Metabolismus treten Veränderungen des Blutflusses als Folge von Neuronenaktivität auf zum Ausgleich des Sauerstoffverbrauchs im Gehirn.
Deoxygeniertes Blut hat paramagnetische Eigenschaften im Vergleich zu oxygeniertem Blut, welches diamagnetische Eigenschaften aufweist. Änderungen in der lokalen relativen Konzentration von oxygeniertem und deoxygeniertem Blut  äußern sich in minimalen lokalen Magnetfeldveränderungen, welche durch fMRT (Messung der T2* Relaxationszeit) detektiert werden können.
Das Signal, welches im fMRT am häufigsten Verwendung findet, basiert auf dem blood-oxygenation level-dependency (BOLD) Effekt (ein Zeitverlauf ist in der folgenden Abbildung dargestellt). Eine Veränderung der neuronalen Aktivität verursacht einen lokalen Anstieg von deoxygeniertem Blut und somit einen erhöhten Bedarf an Sauerstoff, was zu einem Signalabfall des BOLD-Signals führt („initial dip“ -a- in der Abbildung). Dieser Anstieg an deoxygeniertem Blut wird gefolgt von einem Anstieg im zerebralen Blutfluss was lokal zu einem Abfall der Deoxyhämoglobinkonzentration und somit zu einer Erhöhung des lokalen MR-Signals führt (Kurventeil b in der Abbildung). Das Signal erreicht nach etwa 6 Sekunden das Maximum (diese Latenz variiert abhängig von verschiedenen Parametern einer Gehirnregion wie z.B. der Vaskularisation). Das Signal fällt innerhalb von etwa 15-25 Sekunden wieder ab und wird meist gefolgt von einem „post-stimulus-undershoot“ (Kurventeil c in der Abbildung), bevor es wieder den Ruhewert erreicht.

Das fMRT kann somit indirekt Aufschluss über neuronale Aktivitäten im Gehirn geben, die durch definierte Aufgabenstellungen verursacht werden, welche die Probanden bzw. Patienten im MRT-Scanner durchführen. Abhängig von experimentellen Design können diese Aufgabenstellungen als einzelne Ereignisse („event-design“) oder als Abfolge von Ereignissen (“block design”) detektiert werden.
In der experimentellen Anwendung wird üblicherweise die Ausübung einer Aufgabe bei einer Gruppe von Patienten mit der bei einer Gruppe von gesunden Normalpersonen verglichen und statistisch ausgewertet. Zentrale Fragestellungen zur kortikalen Reorganisation bei der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) werden mit Hilfe der fMRT bearbeitet.