Funktionelle Magnetresonanztomographie
Medizinische Expertise: Dr. med. NonnenmacherQualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer
Letzte Aktualisierung am: 2. September 2026Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.
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Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist ein Verfahren der Magnetresonanztomographie zur bildlichen Darstellung physiologischer Veränderungen im Körper. Sie beruht auf den physikalischen Grundlagen der Kernspinresonanz. Im engeren Sinne wird der Begriff im Zusammenhang mit der Untersuchung aktivierter Hirnareale verwendet.
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Was ist die funktionelle Magnetresonanztomographie?
Auf der Grundlage der Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelten mehrere Arbeitsgruppen, darunter die um den Physiker Kenneth Kwong, die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) zur bildlichen Darstellung von Aktivitätsänderungen in den unterschiedlichen Hirnarealen. Bei dieser Methode werden Veränderungen der Hirndurchblutung gemessen, die über die neurovaskuläre Kopplung mit Aktivitätsänderungen in den entsprechenden Hirnbereichen verbunden sind.
Dieses Verfahren nutzt aus, dass das Hämoglobin in sauerstoffarmem und in sauerstoffreichem Blut unterschiedliche magnetische Eigenschaften hat und dadurch die Messung der umgebenden Wasserstoffkerne verändert. Sauerstoffhaltiges Hämoglobin (Oxyhämoglobin) ist diamagnetisch, während sauerstofffreies Hämoglobin (Desoxyhämoglobin) paramagnetische Eigenschaften besitzt. Die Unterschiede in den magnetischen Eigenschaften des Blutes werden auch als BOLD-Effekt (Blood-Oxygenation-Level Dependent Effekt) bezeichnet. Die funktionellen Abläufe im Gehirn werden in Form von Schnittbilderserien aufgenommen.
Auf diese Weise können die Aktivitätsänderungen in den einzelnen Hirnarealen durch konkrete Aufgabenstellungen an den Probanden untersucht werden. Diese Methode dient zunächst der Grundlagenforschung zum Vergleich von Aktivitätsmustern bei gesunden Kontrollpersonen mit den Hirnaktivitäten von Personen mit psychischen Störungen. Im weiteren Sinne umfasst der Begriff der funktionellen Magnetresonanztomographie allerdings auch noch die kinematische Magnetresonanztomographie, welche die bewegte Darstellung verschiedener Organe beschreibt.
Funktion, Wirkung & Ziele
Mithilfe dieses nicht-invasiven Verfahrens kann also das Gehirn unter verschiedenen Situationen beobachtet werden. Die physikalische Grundlage der Messung beruht wie bei der klassischen MRT zunächst auf der Kernspinresonanz. Dabei werden durch das Anlegen eines statischen Magnetfeldes die Spins der Wasserstoffkerne im Gewebe longitudinal ausgerichtet. Ein quer zu dieser Magnetisierungsrichtung angelegtes hochfrequentes Wechselfeld sorgt für die transversale Auslenkung der Magnetisierung zum statischen Feld bis zur Resonanz (Larmorfrequenz). Wird das hochfrequente Feld abgeschaltet, dauert es unter Energieabgabe eine gewisse Zeit, bis sich die Magnetisierung wieder entlang des statischen Feldes ausrichtet.
Diese Relaxationszeit wird gemessen. Bei der fMRT wird der Umstand der unterschiedlichen Magnetisierung von Desoxyhämoglobin und Oxyhämoglobin ausgenutzt. Dabei entstehen für beide Formen unterschiedliche Messwerte, die auf den Einfluss von Sauerstoff zurückzuführen sind. Da sich bei den physiologischen Vorgängen im Gehirn jedoch ständig das Verhältnis von Oxyhämoglobin zu Desoxyhämoglobin ändert, werden im Rahmen der fMRT Serienaufnahmen durchgeführt, die zu jedem Zeitpunkt die Veränderungen registrieren. So lässt sich in einem Zeitfenster von wenigen Sekunden millimetergenau darstellen, wo sich die Sauerstoffsättigung des Blutes ändert; daraus wird indirekt auf die Aktivität der Nervenzellen geschlossen. Experimentell wird der Ort der neuronalen Aktivität durch Messungen des Magnetresonanz-Signals zu zwei verschiedenen Zeitpunkten bestimmt.
Zunächst erfolgt die Messung im Ruhezustand und danach in einem angeregten Zustand. Dann werden der Vergleich der Aufnahmen in einem statistischen Testverfahren durchgeführt und die statistisch signifikanten Unterschiede räumlich zugeordnet. Zu Versuchszwecken kann der Reiz dem Probanden mehrfach präsentiert werden. Das bedeutet meist, dass eine Aufgabe häufig wiederholt wird. Die Unterschiede aus dem Vergleich der Daten aus der Reizphase mit den Messergebnissen aus der Ruhephase werden errechnet und dann bildlich dargestellt. Bei diesem Verfahren konnte festgestellt werden, welche Hirnareale bei welcher Tätigkeit aktiv sind. Außerdem konnten die Unterschiede bestimmter Hirnareale bei psychischen Erkrankungen zu gesunden Hirnen festgestellt werden.
Neben der Grundlagenforschung, die wichtige Erkenntnisse zur Diagnostik von psychischen Erkrankungen liefert, wird das Verfahren aber auch direkt in der klinischen Praxis angewendet. Klinisches Hauptanwendungsgebiet der fMRT ist die Lokalisierung sprachrelevanter Hirnareale bei der Vorbereitung von Operationen bei Hirntumoren. Damit soll erreicht werden, dass dieses Areal bei der Operation weitgehend verschont bleibt. Weitere klinische Anwendungsgebiete der funktionellen Magnetresonanztomographie beziehen sich auf die Beurteilung von Patienten mit Bewusstseinsstörungen, wie Koma, Wachkoma oder MCS (Minimaler Bewusstseinszustand).
Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren
Allerdings werden hier nur die Veränderungen der Sauerstoffbeladung des Hämoglobins gemessen. Weil diese Vorgänge auf bestimmte Hirnbereiche lokalisiert werden können, wird aufgrund der neurovaskulären Kopplung davon ausgegangen, dass diese Hirnareale auch aktiviert werden. Also kann das Gehirn nicht direkt beim Denken beobachtet werden. Es muss beachtet werden, dass die Veränderung des Blutflusses erst nach einer Latenzzeit von einigen Sekunden nach der neuronalen Aktivität auftritt. Daher wird manchmal eine direkte Zuordnung erschwert. Vorteilhaft gegenüber anderen nicht-invasiven neurologischen Untersuchungsmethoden ist für die fMRT aber die wesentlich bessere räumliche Lokalisierung der Aktivitäten.
Die zeitliche Auflösung ist jedoch sehr viel niedriger. Auch die indirekte Bestimmung der neuronalen Aktivitäten durch die Blutdurchflussmessungen und Hämoglobinoxygenierungen erzeugt eine gewisse Unsicherheit. So wird eine Latenzzeit von über vier Sekunden angenommen. Ob bei kürzeren Stimuli zuverlässige neuronale Aktivitäten angenommen werden können, muss erst noch untersucht werden. Es gibt allerdings auch noch technische Anwendungsgrenzen der funktionellen Magnetresonanztomographie, die unter anderem darauf beruhen, dass der BOLD-Effekt nicht nur durch die Blutgefäße, sondern auch durch das an die Gefäße angrenzende Zellgewebe erzeugt wird.
Neben diesen methodischen Einschränkungen bestehen für die untersuchte Person die Risiken, die jede Untersuchung im Magnetresonanztomographen mit sich bringt. Röntgenstrahlung kommt nicht zum Einsatz, und eine schädigende Wirkung des Magnetfeldes auf den Körper ist nicht belegt. Das Magnetfeld ist jedoch dauerhaft eingeschaltet und sehr stark, und daraus ergibt sich die wichtigste Gefahrenquelle: Metall. Ferromagnetische Gegenstände werden angezogen und können mit erheblicher Wucht in Richtung des Geräts beschleunigt werden. Aus diesem Grund dürfen lose Metallteile nicht in den Untersuchungsraum gelangen, und Schmuck, Piercings, Haarklammern, Uhren, Hörgeräte, herausnehmbarer Zahnersatz mit magnetischen Halterungen sowie Pflaster und Kleidungsstücke mit metallhaltigen Bestandteilen werden vorher abgelegt.
Von größerer Tragweite sind Metallteile im Körper. Ein Herzschrittmacher, ein implantierter Defibrillator, ein Neurostimulator, ein Cochlea-Implantat oder eine Insulinpumpe können durch das Magnetfeld in ihrer Funktion gestört, verstellt oder beschädigt werden; außerdem können sich Bauteile erwärmen. Für einen Teil dieser Geräte gibt es Ausführungen, die unter genau festgelegten Bedingungen im Tomographen zulässig sind – ob das im Einzelfall zutrifft, muss vor der Untersuchung anhand des Implantatausweises geklärt werden. Ebenso müssen Gefäßclips, Stents, künstliche Herzklappen, Metall nach Knochenbrüchen sowie Splitter im Gewebe bekannt sein. Besondere Aufmerksamkeit gilt kleinsten Metallspänen im Auge, wie sie nach Arbeiten an Metall zurückbleiben können, weil sie sich im Magnetfeld bewegen und Schaden anrichten können. Bei großflächigen Tätowierungen und permanentem Make-up gilt eine Erwärmung im Bereich der gefärbten Haut als möglich, wenn die Farbe metallhaltige Bestandteile enthält.
Als belastend empfinden viele Untersuchte weniger diese Gefahren als die Umstände der Messung. Die Öffnung des Geräts ist eng, und der Kopf liegt bei der funktionellen Untersuchung zusätzlich in einer Empfangsspule; wer zu Beklemmungsgefühlen neigt oder unter Klaustrophobie leidet, sollte das vorher ansprechen. Üblich sind ein Rufknopf, über den die Untersuchung jederzeit unterbrochen werden kann, sowie eine ständige Sprechverbindung zum Personal; in Absprache mit dem Arzt kommt auch eine beruhigende Medikation in Betracht, die dann allerdings die Mitarbeit an den Aufgaben einschränkt. Hinzu kommt die erhebliche Lärmbelastung: Das Umschalten der Gradientenfelder erzeugt laute, hämmernde und pfeifende Geräusche, weshalb ein Gehörschutz mit Ohrstöpseln, Kopfhörern oder beidem zur Untersuchung gehört. Bei der funktionellen Bildgebung fällt der Lärm besonders ins Gewicht, weil viele Messreihen hintereinander aufgezeichnet werden und weil die Geräusche Aufgaben stören können, die über das Gehör vermittelt werden.
Schließlich verlangt die Untersuchung langes ruhiges Liegen. Schon geringe Kopfbewegungen verschieben die Bilder gegeneinander und können eine Messreihe unbrauchbar machen, weshalb der Kopf gepolstert und fixiert wird. Für kleine Kinder, für unruhige oder verwirrte Personen und für Menschen mit Schmerzen ist das eine erhebliche Hürde. In der Schwangerschaft wird eine Untersuchung nur bei zwingender Fragestellung vorgenommen; eine Schädigung des Kindes ist nicht belegt, vorsorgliche Zurückhaltung gilt gleichwohl als üblich. Ein eigener Punkt betrifft Untersuchungen im Rahmen von Forschungsvorhaben: Dabei können unerwartete Auffälligkeiten am Gehirn sichtbar werden, die mit der Fragestellung nichts zu tun haben. Wie mit solchen Zufallsbefunden umgegangen wird und wer sie befundet, ist vor der Teilnahme zu klären.
Ablauf einer Untersuchung
Vor der Untersuchung steht ein Aufklärungsgespräch, verbunden mit einem Fragebogen zu Implantaten, früheren Operationen, Metall im Körper und zu Beklemmungsgefühlen in engen Räumen. Anschließend werden Metallgegenstände abgelegt; häufig wird für die Untersuchung Kleidung ohne metallische Bestandteile gestellt. Wird ausnahmsweise Kontrastmittel benötigt, wird zuvor ein Zugang in eine Vene gelegt. Für die funktionelle Messung des BOLD-Signals ist ein Kontrastmittel in der Regel nicht erforderlich, da der Kontrast aus dem Blut selbst stammt.
Die untersuchte Person liegt auf dem Rücken auf einer verschiebbaren Liege. Der Kopf wird in einer Empfangsspule gelagert und mit Polstern gegen Bewegung gesichert; Gehörschutz wird angelegt und ein Rufknopf in die Hand gegeben. Dann fährt die Liege in die Öffnung des Geräts. Zunächst werden meist rein anatomische Aufnahmen angefertigt, die später als Grundlage dienen, auf die die funktionellen Ergebnisse gelegt werden. Erst danach beginnt die funktionelle Messung.
Deren Besonderheit ist, dass die untersuchte Person währenddessen etwas tun soll. Aufgaben werden über einen Spiegel auf einem Bildschirm eingespielt oder über Kopfhörer vorgespielt; die Antwort erfolgt über eine Tastenbox in der Hand. Typische Aufgaben sind das Bewegen einer Hand, das stille Bilden von Wörtern, das Lesen, das Betrachten von Bildern oder das Zuhören. Die Aufgaben wechseln sich in festgelegter Abfolge mit Ruhephasen ab, und dieselbe Bedingung wird vielfach wiederholt, weil das gesuchte Signal klein ist und erst aus der Wiederholung zuverlässig hervortritt. Daneben gibt es Messungen ganz ohne Aufgabe, bei denen die Aktivität im Ruhezustand aufgezeichnet wird.
Die Dauer richtet sich nach der Zahl und Länge der Messreihen. Nach dem Ende der Aufnahmen ist keine Überwachung erforderlich, und die Untersuchung wirkt nicht nach; wurde eine beruhigende Medikation gegeben, gelten die dafür üblichen Einschränkungen, insbesondere hinsichtlich der Fahrtüchtigkeit. Die Auswertung erfolgt nicht am Gerät, sondern im Anschluss an einer Rechenanlage, weshalb ein Ergebnis meist nicht unmittelbar mitgeteilt werden kann.
Was das Ergebnis bedeutet
Die farbigen Flecken, die auf Abbildungen einer fMRT zu sehen sind, sind keine Fotografien des Gehirns und auch keine unmittelbare Abbildung von Nervenzellaktivität. Sie sind das Ergebnis einer Rechnung: Für jeden Bildpunkt wird geprüft, ob sich das Signal zwischen Aufgaben- und Ruhephase stärker unterscheidet, als es durch Zufall zu erwarten wäre. Nur Bildpunkte, die eine gewählte statistische Schwelle überschreiten, werden eingefärbt. Wo diese Schwelle gesetzt wird, hat erheblichen Einfluss auf das Bild – eine niedrige Schwelle lässt viel Farbe erscheinen, eine hohe wenig. Aus diesem Grund lässt sich aus der Größe eines farbigen Bereichs nicht ohne Weiteres auf die Stärke einer Hirnfunktion schließen.
Für Betroffene wichtiger ist eine zweite Einschränkung. Ein unauffälliges Ergebnis bedeutet nicht, dass ein bestimmter Hirnbereich ohne Funktion wäre. Es kann ebenso gut heißen, dass die gewählte Aufgabe den gesuchten Bereich nicht ausreichend beansprucht hat, dass die Mitarbeit nicht gelungen ist, dass Bewegung die Messreihe gestört hat oder dass das Signal in der Nähe von größeren Gefäßen oder von Grenzflächen zu Luft und Knochen schlecht messbar war. Umgekehrt beweist ein farbig hervorgehobener Bereich nicht, dass dort und nur dort die betreffende Leistung erbracht wird; er zeigt an, wo sich die Durchblutung im Vergleich zweier Zustände verändert hat.
Daraus folgt für die klinische Anwendung, dass die Ergebnisse der funktionellen Bildgebung immer zusammen mit der übrigen Diagnostik bewertet werden und nicht allein die Grundlage einer Entscheidung bilden. Auch die verbreitete Vorstellung, mit dem Verfahren ließen sich Gedanken oder Absichten einer einzelnen Person auslesen, findet in dem, was gemessen wird, keine Grundlage: Gemessen werden Unterschiede der Sauerstoffbeladung des Hämoglobins über Zeiträume von Sekunden, gemittelt über viele Wiederholungen.
Abgrenzung zu anderen Verfahren
Innerhalb der Verfahren, die Hirnfunktion untersuchen, hat jedes seine eigene Stärke. Die Elektroenzephalografie misst elektrische Spannungsschwankungen an der Kopfhaut und löst zeitliche Abläufe im Bereich von Millisekunden auf; wo im Gehirn die gemessene Aktivität entsteht, lässt sich daraus jedoch nur ungenau bestimmen. Die Magnetenzephalografie erfasst die zugehörigen Magnetfelder und verbessert die räumliche Zuordnung, erfordert aber einen sehr hohen technischen Aufwand. Die Nahinfrarotspektroskopie misst wie die fMRT Veränderungen der Sauerstoffbeladung des Blutes, arbeitet mit Licht, ist am Krankenbett und bei Säuglingen einsetzbar, reicht aber nur bis in oberflächennahe Schichten.
Die Positronen-Emissions-Tomographie bildet Stoffwechselvorgänge ab und kann Fragestellungen beantworten, die dem BOLD-Signal nicht zugänglich sind; sie ist dafür mit einer Strahlenbelastung und mit der Gabe einer radioaktiv markierten Substanz verbunden. Vor Eingriffen bei Epilepsie wurde zur Bestimmung der sprachdominanten Hirnhälfte lange ein Verfahren eingesetzt, bei dem über einen Gefäßzugang kurzzeitig eine Hirnhälfte mit einem betäubenden Mittel ausgeschaltet wird; die funktionelle Magnetresonanztomographie kommt für dieselbe Frage ohne Eingriff aus, weshalb sie dieses Verfahren in vielen Einrichtungen ergänzt oder ersetzt hat.
Von der funktionellen Bildgebung zu unterscheiden sind schließlich die Verfahren, die im selben Gerät den Bau des Gehirns darstellen: die klassische Magnetresonanztomographie für die Anatomie und Verfahren, die den Verlauf von Nervenfaserbündeln nachzeichnen. In der Vorbereitung einer Operation werden diese Darstellungen häufig miteinander verrechnet, damit sowohl die Lage eines Herdes als auch die Nachbarschaft wichtiger Bahnen und Areale beurteilt werden kann.
Anwendung bei besonderen Gruppen
Ob eine funktionelle Untersuchung durchführbar ist, hängt weniger vom Gerät als von der Mitarbeit ab. Bei Kindern gelingt sie, wenn Ablauf und Geräusch vorher erklärt und geübt werden, etwa in einem nachgebauten Gerät ohne Magnetfeld; bei sehr kleinen Kindern beschränkt sich die Anwendung auf Fragestellungen, die keine Aufgabe erfordern. Bei Menschen mit Bewusstseinsstörungen wird das Verfahren gerade deshalb erprobt, weil es Reaktionen sichtbar machen kann, die sich äußerlich nicht zeigen; die Deutung solcher Befunde im Einzelfall gilt jedoch als schwierig und ist Gegenstand fachlicher Auseinandersetzung.
Bei ausgeprägter Angst vor engen Räumen kann eine Untersuchung an einem Gerät mit weiterer Öffnung erwogen werden. Da der Untersuchungserfolg an die Fähigkeit gebunden ist, längere Zeit ruhig zu liegen und Aufgaben zu bearbeiten, wird im Vorfeld abgewogen, ob die erwartete Aussage den Aufwand rechtfertigt.
Geschichte und Stellenwert
Die Grundlage des Verfahrens wurde Anfang der 1990er Jahre gelegt, als der Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffgehalt des Blutes und dem Magnetresonanzsignal beschrieben und kurz darauf erstmals genutzt wurde, um beim Menschen Aktivitätsänderungen im Gehirn ohne Gabe eines Kontrastmittels sichtbar zu machen. Da die Geräte bereits in den Kliniken standen und lediglich andere Messfolgen und Auswerteverfahren benötigt wurden, verbreitete sich die Methode rasch.
Der Schwerpunkt liegt bis heute in der Forschung. In der Krankenversorgung ist die Zahl der Fragestellungen, für die die funktionelle Bildgebung regelhaft eingesetzt wird, deutlich kleiner; sie betrifft vor allem die Planung von Eingriffen am Gehirn. Als eigenständiges Verfahren zur Feststellung psychischer Erkrankungen ist die fMRT nicht anerkannt: Die beschriebenen Unterschiede beziehen sich auf Gruppen, und der Schritt von einem Gruppenunterschied zur Aussage über eine einzelne Person ist damit nicht getan. Ob eine Untersuchung als Leistung der Krankenversicherung erbracht wird, richtet sich danach, ob sie für die Behandlung erforderlich ist; Untersuchungen im Rahmen von Forschungsvorhaben werden über das jeweilige Vorhaben getragen.
Quellen
- Weishaupt, D., Köchli, V. D., Marincek, B.: Wie funktioniert MRI?.
ISBN: 9783642416156
- Reiser, M., Kuhn, F.-P., Debus, J.: Radiologie.
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- Kramme, R. (Hrsg.): Medizintechnik.
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- Masuhr, K. F., Masuhr, F., Neumann, M.: Neurologie.
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- Dietlein, M., Kopka, K., Schmidt, M. (Hrsg.): Nuklearmedizin.
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