Funktionelle Magnetresonanztomographie

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 13. November 2021

Dieser 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.

Was ist die funktionelle Magnetresonanztomographie?

Bei der klassischen MRT werden statische Bilder entsprechender Organe und Gewebe dargestellt, während die fMRT die Aktivitätsänderungen im Gehirn durch dreidimensionale Bilder bei der Ausführung von bestimmten Tätigkeiten wiedergibt.

Auf der Grundlage der Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelte der 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 die unterschiedliche chemische Umgebung der vermessenen Wasserstoffkerne im Hämoglobin von sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Blut. 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 Protonen des Hämoglobins longitudinal ausgerichtet. Ein quer zu dieser Magnetisierungsrichtung angelegtes hochfrequentes Wechselfeld sorgt für die transversale Auslenkung der Magnetisierung zum statischen Feld bis zur Resonanz (Lamorfrequenz). 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 registriert. So können in einem Zeitfenster von wenigen Sekunden Nervenzellaktivitäten millimetergenau dargestellt werden. 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 psychologischen Erkrankungen zu gesunden Hirnen festgestellt werden.

Neben der Grundlagenforschung, die wichtige Erkenntnisse zur Diagnostik von psychologischen 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. Vorteilig gegenüber anderen nicht-invasiven neurologischen Untersuchungsmethoden ist für die fMRT aber die wesentlich bessere räumliche Lokalisierung der Aktivitäten.

Jedoch die zeitliche Auflösung ist 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.

Quellen

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