Bildgebende Verfahren

fMRT-Aufnahmen: die roten Flecken beschreiben Regionen mit besonders hohem Sauerstoffverbrauch, also mehr Aktivität. Die Bilder zeigen einen Durchschnitt von über 40 Versuchspersonen.
Autor: Jens Foell

Die Hirnforschung nutzt verschiedene wissenschaftliche Methoden. Hier stellen wir Ihnen zentrale Arbeitstechniken vor. Zum Beispiel das Neuroimaging.

Wissenschaftliche Betreuung: Stefan R. Schweinberger

Veröffentlicht: 26.01.2016

Das Wichtigste in Kürze
  • Bildgebende Verfahren (oder Neuroimaging) umfassen unter anderem MRT, welches die Hirnstruktur untersucht, sowie fMRT und PET, welche die Gehirnaktivität aufzeichnen.
  • Diese Verfahren haben bereits zu wertvollen Erkenntnissen über neuropsychologische Mechanismen und psychische Störungen geführt.
  • Beim PET wird ein radioaktives Kontrastmittel gegeben, welches in die aktiven Bereiche des Gehirns transportiert wird. So ergibt sich eine Art Karte des Gehirns, in der dessen Aktivität dargestellt wird.
  • Auch beim fMRT wird die Gehirnaktivität untersucht, hier mit starken Magnetfeldern. Das fMRT ist derzeit die am weitesten verbreitete Neuroimaging-Methode und liefert Erkenntnisse über normale und abnormale neuronale Mechanismen.
  • Die aus der Medizin bekannten MRT-Bilder hingegen untersuchen nicht Funktion, sondern Struktur. In der neuropsychologischen Forschung werden zum Beispiel die Größen verschiedener Hirnregionen verglichen, was zu neuen Befunden im Zusammenhang mit psychischen Störungen führen kann.

Intro

Bildgebende Verfahren – oft auch Neuroimaging genannt – ermöglichen uns Einblicke in die inneren Strukturen oder Vorgänge des Gehirns, ohne tatsächlich in den Schädel eindringen zu müssen. In der Medizin werden sie bereits seit Längerem für die Diagnostik eingesetzt. Während der vergangenen zwei Jahrzehnte haben sie sich zudem als wertvolle Instrumente der Neuropsychologie erwiesen. Die am häufigsten verwandten Verfahren sind die Magnetresonanztomografie (MRT), die davon abgeleitete funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) und die Positronen-​Emissions-​Tomografie (PET).

Magnetresonanztomographie

Magnetresonanztomographie/-/magnetic resonance imaging

Ein bildgebendes Verfahren, das Mediziner zur Diagnose von Fehlbildungen in unterschiedlichen Geweben oder Organen des Körpers einsetzen. Die Methode wird umgangssprachlich auch Kernspin genannt. Sie beruht darauf, dass die Kerne mancher Atome einen Eigendrehimpuls besitzen, der im Magnetfeld seine Richtung ändern kann. Diese Eigenschaft trifft unter anderem auf Wasserstoff zu. Deshalb können Gewebe, die viel Wasser enthalten, besonders gut dargestellt werden. Abkürzung: MRT.

Funktionelle Magnetresonanztomographie

Funktionelle Magnetresonanztomographie/-/functional magnetic resonance imaging

Eine Modifikation der Magnetresonanztomographie oder –tomografie (MRT, englisch MRI) die die Messung des regionalen Körperstoffwechsels erlaubt. In der Hirnforschung wird besonders häufig der BOLD-​Kontrast (blood oxygen level dependent) verwendet, der das unterschiedliche magnetische Verhalten sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Bluts nutzt. Ein hoher Sauerstoffverbrauch kann mit erhöhter Aktivität korreliert werden. fMRT-​Messungen haben eine gute räumliche Auflösung und erlauben so detaillierte Information über die Aktivität eines bestimmten Areals im Gehirn.

Positronen-Emissions-Tomographie

Positronen-Emissions-Tomographie/-/positron emission tomography

Ein bildgebendes Verfahren, mit dessen Hilfe Mediziner Stoffwechselvorgänge im Körper visualisieren können. Der Patient bekommt eine schwach radioaktive Substanz injiziert, die Positronen – also Beta-​Strahlung – emittiert. Wenn die Positronen im Körper mit Elektronen zusammentreffen, wird Energie in Form von zwei Photonen freigesetzt. Diese streben in entgegengesetzte Richtungen auseinander. Im PET-​Scanner sind rund um den Patienten Detektoren angeordnet, welche die auftreffenden Photonen registrieren. Auf diese Weise lässt sich nachverfolgen, ob sich die radioaktive Substanz in bestimmten Bereichen des Körpers anreichert, was beispielsweise Hinweise auf einen Tumor geben kann. Auch in der Frühdiagnostik von Demenzerkrankungen findet die Positronen-​Emissions-​Tomographie Anwendung. Die Strahlung ist medizinisch unbedenklich.

Funktionsweise

Die verschiedenen bildgebenden Verfahren nutzen unterschiedliche physikalische Methoden: Bei der PET wird ein schwach radioaktives Kontrastmittel verabreicht, welches bei Zerfall zwei Photonen in genau entgegengesetzte Richtungen aussendet. Ein Ring von Detektoren fängt diese Photonen auf und kann dadurch exakt feststellen, wo im Gehirn der Zerfall stattgefunden hat. Da das Kontrastmittel über das Blut vor allem dorthin transportiert wird, wo ein erhöhter Stoffwechsel stattfindet – wo also besonders viel Sauerstoff benötigt wird – , erhält man bei dieser Messung eine Karte der Aktivität des Gehirns.

Im Gegensatz zur PET liefert die MRT nicht ein Bild der Gehirnaktivität, sondern seiner Struktur. Das MRT-​Gerät erzeugt hierfür ein starkes Magnetfeld, nach welchem sich Atomkerne im Kopf ausrichten. Ändert sich dieses Feld, so ändert sich auch die Ausrichtung der Kerne – und zwar je nachdem, um welche Gewebeart es sich handelt, unterschiedlich schnell oder langsam. Je stärker der Magnet, umso detailreicher werden einzelne Strukturen sichtbar ­ umso mehr steigt aber auch die Gefahr von Messartefakten, also fehlerhaften Darstellungen.

Eine fMRT nutzt dasselbe Gerät, doch es zeigt nicht die Struktur, sondern die Aktivität. Dies funktioniert dank unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Blutes. Mit Hilfe des Magneten kann man daher zielgenau feststellen, wo im Gehirn mehr oder weniger Sauerstoff verbraucht wird. Ähnlich wie PET zeigt fMRT damit eine Karte der aktuell aktiven Regionen des Gehirns. Daher das „f“ vor der MRT – es zeigen sich die Funktionen des Gehirns, denn in der Regel lösen die Probanden während der Untersuchung in der fMRT bestimmte kognitive Aufgaben.

Positronen-Emissions-Tomographie

Positronen-Emissions-Tomographie/-/positron emission tomography

Ein bildgebendes Verfahren, mit dessen Hilfe Mediziner Stoffwechselvorgänge im Körper visualisieren können. Der Patient bekommt eine schwach radioaktive Substanz injiziert, die Positronen – also Beta-​Strahlung – emittiert. Wenn die Positronen im Körper mit Elektronen zusammentreffen, wird Energie in Form von zwei Photonen freigesetzt. Diese streben in entgegengesetzte Richtungen auseinander. Im PET-​Scanner sind rund um den Patienten Detektoren angeordnet, welche die auftreffenden Photonen registrieren. Auf diese Weise lässt sich nachverfolgen, ob sich die radioaktive Substanz in bestimmten Bereichen des Körpers anreichert, was beispielsweise Hinweise auf einen Tumor geben kann. Auch in der Frühdiagnostik von Demenzerkrankungen findet die Positronen-​Emissions-​Tomographie Anwendung. Die Strahlung ist medizinisch unbedenklich.

Magnetresonanztomographie

Magnetresonanztomographie/-/magnetic resonance imaging

Ein bildgebendes Verfahren, das Mediziner zur Diagnose von Fehlbildungen in unterschiedlichen Geweben oder Organen des Körpers einsetzen. Die Methode wird umgangssprachlich auch Kernspin genannt. Sie beruht darauf, dass die Kerne mancher Atome einen Eigendrehimpuls besitzen, der im Magnetfeld seine Richtung ändern kann. Diese Eigenschaft trifft unter anderem auf Wasserstoff zu. Deshalb können Gewebe, die viel Wasser enthalten, besonders gut dargestellt werden. Abkürzung: MRT.

Einsatzgebiete

Gemeinsam haben diese bildgebenden Verfahren, dass ohne jede Gefährdung des Patienten oder Studienteilnehmers sehr genau festgestellt werden kann, wie genau bestimmte Hirnareale geformt sind oder wo im Gehirn eine Funktion stattfindet. Dieses Wissen kann helfen, die grundlegenden Mechanismen des Gehirns zu verstehen oder neue Therapiemethoden für körperliche oder psychische Störungen zu finden.

Zum Beispiel sind Phantomschmerzen nach der Amputation eines Körperteils bereits seit frühgeschichtlicher Zeit bekannt. Allerdings war es bis vor kurzem unmöglich, Phantomgliedmaßen nachzuweisen oder die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Vergleicht man jedoch Amputationspatienten mit und ohne Phantomglied in einer fMRT-​Studie, kann man die Empfindung sichtbar machen: Die Aktivität, die zum Beispiel bei der Wahrnehmung einer Phantomhand im Gehirn entsteht – genauer: im so genannten somatosensorischen Cortex –, sieht der Wahrnehmung einer echten Hand sehr ähnlich. Für das Gehirn ist die amputierte Hand in diesem Fall quasi noch vorhanden. Bildgebende Verfahren konnten diese Empfindung also erstmals objektiv nachweisen. Das hat den Grundstein für mehrere neue Therapiemethoden gelegt.

Das MRT wird in der Neuropsychologie zudem verwendet, um Unterschiede in der Gehirnstruktur mit Unterschieden in der Persönlichkeit in Verbindung zu bringen. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass Taxifahrer in London einen vergrößerten posterioren Hippocampus besitzen – eine Region, die für räumliche Orientierung und Gedächtnis zuständig ist. Noch wichtiger: Der Hippocampus ist bei Patienten mit Posttraumatischer Belastungsstörung verkleinert – eine Erkenntnis, die ebenfalls wichtige Auswirkungen auf zukünftige Behandlungsmethoden haben könnte.

Eine fMRT eignet sich hervorragend dazu, unterschiedliche Mechanismen im Gehirn zu erkunden. Ein Beispiel: Bei der so genannten cutaneous rabbit-​Illusion nehmen Probanden eine Berührung wahr, die tatsächlich gar nicht stattfindet. In der fMRT konnte gezeigt werden, dass diese scheinbare Berührung im Gehirn verarbeitet wird – das Gehirn bildet in diesem Fall also nicht die Realität ab, sondern die illusionäre Wahrnehmung. Auch für eine wachsende Zahl anderer Wahrnehmungstäuschungen konnte eine konkrete neuronale Grundlage ermittelt werden – das hilft uns, auch andere Prozesse im Gehirn zu verstehen.

Phantomglied

Phantomglied/-/phantom limb

Ein Phantomglied wird vom Patienten nach wie vor gespürt, obwohl es amputiert wurde. Die Empfindungen sind meist negativer Natur, oft in Form von Schmerz.

Wahrnehmung

Wahrnehmung/Perceptio/perception

Der Begriff beschreibt den komplexen Prozess der Informationsgewinnung und –verarbeitung von Reizen aus der Umwelt sowie von inneren Zuständen eines Lebewesens. Das Gehirn kombiniert die Informationen, die teils bewusst und teils unbewusst wahrgenommen werden, zu einem subjektiv sinnvollen Gesamteindruck. Wenn die Daten, die es von den Sinnesorganen erhält, hierfür nicht ausreichen, ergänzt es diese mit Erfahrungswerten. Dies kann zu Fehlinterpretationen führen und erklärt, warum wir optischen Täuschungen erliegen oder auf Zaubertricks hereinfallen.

Cortex

Großhirnrinde/Cortex cerebri/cerebral cortex

Der Cortex cerebri, kurz Cortex genannt, bezeichnet die äußerste Schicht des Großhirns. Sie ist 2,5 mm bis 5 mm dick und reich an Nervenzellen. Die Großhirnrinde ist stark gefaltet, vergleichbar einem Taschentuch in einem Becher. So entstehen zahlreiche Windungen (Gyri), Spalten (Fissurae) und Furchen (Sulci). Ausgefaltet beträgt die Oberfläche des Cortex ca 1.800 cm2.

Magnetresonanztomographie

Magnetresonanztomographie/-/magnetic resonance imaging

Ein bildgebendes Verfahren, das Mediziner zur Diagnose von Fehlbildungen in unterschiedlichen Geweben oder Organen des Körpers einsetzen. Die Methode wird umgangssprachlich auch Kernspin genannt. Sie beruht darauf, dass die Kerne mancher Atome einen Eigendrehimpuls besitzen, der im Magnetfeld seine Richtung ändern kann. Diese Eigenschaft trifft unter anderem auf Wasserstoff zu. Deshalb können Gewebe, die viel Wasser enthalten, besonders gut dargestellt werden. Abkürzung: MRT.

Hippocampus

Hippocampus/Hippocampus/hippocampual formatio

Der Hippocampus ist der größte Teil des Archicortex und ein Areal im Temporallappen. Er ist zudem ein wichtiger Teil des limbischen Systems. Funktional ist er an Gedächtnisprozessen, aber auch an räumlicher Orientierung beteiligt. Er umfasst das Subiculum, den Gyrus dentatus und das Ammonshorn mit seinen vier Feldern CA1-​CA4.

Veränderungen in der Struktur des Hippocampus durch Stress werden mit Schmerzchronifizierung in Zusammenhang gebracht. Der Hippocampus spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von Schmerz durch Angst.

Gedächtnis

Gedächtnis/-/memory

Gedächtnis ist ein Oberbegriff für alle Arten von Informationsspeicherung im Organismus. Dazu gehören neben dem reinen Behalten auch die Aufnahme der Information, deren Ordnung und der Abruf.

Belastungsstörung

Belastungsstörung/-/stress disorder

Als Belastungsstörung wird in der Psychologie die pathologische Reaktion auf dauerhaften oder kurzfristig sehr hohen Stress bezeichnet. Unterschieden werden die akute Belastungsstörung – oft als Nervenzusammenbruch bezeichnet – und die posttraumatische Belastungsstörung nach einem traumatischen Erlebnis. Sie kann noch lange Zeit nach dem eigentlichen Stressereignis schwerwiegende Folgen haben.

Historie

Die magnetischen Eigenschaften von sauerstoffhaltigem Blut entdeckten Wissenschaftler bereits 1936. Die MRT erfand dann 1971 Paul C. Lauterbur, und kurz darauf entwickelte Peter Mansfield Algorithmen, um die Signale in Schichten aufzuzeichnen und schnell in Bildinformation zu konvertieren. Lauterbur und Mansfield erhielten für ihre Arbeiten an der MRT 2003 gemeinsam den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Ebenfalls Anfang der 1950er Jahre entdeckten zwei Ärzte am Massachusetts General Hospital einen Hirntumor mit Hilfe einer positronenbasierten Bildgebungsmethode. Die Erfindung der PET, wie wir sie heute kennen, wurde erst 1975 publiziert – von den amerikanischen Physikern Michel Ter-​Pogossian und Michael E. Phelps.

Magnetresonanztomographie

Magnetresonanztomographie/-/magnetic resonance imaging

Ein bildgebendes Verfahren, das Mediziner zur Diagnose von Fehlbildungen in unterschiedlichen Geweben oder Organen des Körpers einsetzen. Die Methode wird umgangssprachlich auch Kernspin genannt. Sie beruht darauf, dass die Kerne mancher Atome einen Eigendrehimpuls besitzen, der im Magnetfeld seine Richtung ändern kann. Diese Eigenschaft trifft unter anderem auf Wasserstoff zu. Deshalb können Gewebe, die viel Wasser enthalten, besonders gut dargestellt werden. Abkürzung: MRT.

Vor– und Nachteile

Eine PET-​Untersuchung ist vergleichsweise teuer und bringt eine gewisse Strahlenbelastung mit sich, weswegen im Forschungsalltag der Neurowissenschaft häufiger das fMRT verwendet wird. Probleme beider Verfahren sind, dass sie neuronale Aktivierungen nur indirekt über die damit korrelierenden Stoffwechselprozesse messen und dabei weit langsamer arbeiten als das Gehirn, das sie untersuchen. Neuronale Prozesse spielen sich im Millisekundenbereich ab, aber das fMRT braucht mehrere Sekunden für jede einzelne Aufnahme des Gehirns, aus denen dann ein gesammeltes Bild entsteht. Schnellere Methoden, neuronale Aktivität zu messen, sind die aus der Medizin bekannte Elektroenzephalographie (EEG) und die verwandte Magnetenzephalographie (MEG); ein Nachteil dieser zeitlich sehr gut auflösenden Verfahren ist aber eine schlechtere räumliche Lokalisation der Prozesse im Gehirn.

EEG

Elektroencephalogramm/-/electroencephalography

Bei dem Elektroencephalogramm, kurz EEG handelt es sich um eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Gehirns (Hirnströme). Die Hirnströme werden an der Kopfoberfläche oder mittels implantierter Elektroden im Gehirn selbst gemessen. Die Zeitauflösung liegt im Millisekundenbereich, die räumliche Auflösung ist hingegen sehr schlecht. Entdecker der elektrischen Hirnwellen bzw. des EEG ist der Neurologe Hans Berger (1873−1941) aus Jena.

Kombinationsmöglichkeiten

Es gibt auch die Möglichkeit einer simultanen EEG-​fMRT-​Messung: Im selben Versuch werden neuronale Vorgänge sowohl zeitlich als auch räumlich genau erfasst. Da jedoch beide Instrumente die Messung des anderen beeinflussen können, und da jedes weitere Messinstrument den Probanden weiter einengt, wird diese Kombination nur für Fragestellungen eingesetzt, für die sie besonders wertvoll ist – etwa die Untersuchung bestimmter Formen der Epilepsie, bei denen für die Behandlung wichtig ist, sowohl den genauen Ort als auch den genauen zeitliche Verlauf der Anfälle zu kennen.

Aussicht

Bildgebende Verfahren befinden sich in einer ständigen Weiterentwicklung: Die MRT-​Bilder von heute sind kaum mehr vergleichbar mit denen von vor 15 oder 20 Jahren. Abgesehen von dem technischen Fortschritt, der auch in anderen Bereichen stattfindet, tun sich auch bislang unbekannte neue Anwendungsgebiete auf: In einer Resting-​State-​fMRT-​Studie zum Beispiel werden Muster in der Hirnaktivität untersucht, während sich das Gehirn sozusagen im Ruhezustand befindet – so können Mechanismen hinter manchen chronischen Störungen verstanden werden. Auch in der Zukunft werden die bildgebenden Verfahren helfen zu verstehen, wie aus einem Zusammenspiel unterschiedlicher Nervenzellen unsere Gedanken und Gefühle entstehen.

Neuron

Neuron/-/neuron

Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.

zum Weiterlesen:

  • Diers M, et al: Mirrored, imagined and executed movements differentially activate sensorimotor cortex in amputees with and without phantom limb pain. Pain. 2010 May; 149(2):296 – 304. (Abstract)
  • Maguire EA, et al: Navigation-​related structural change in the hippocampi of taxi drivers. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 Apr 11;97(8):4398 – 403. (Abstract)
  • Bremner JD, et al. MRI-​based measurement of hippocampal volume in patients with combat-​related posttraumatic stress disorder. Am J Psychiatry. 1995 Jul;152(7):973 – 81. (Abstract)
  • Blankenburg F, et al. The cutaneous rabbit illusion affects human primary sensory cortex somatotopically. PLoS Biol. 2006 Mar;4(3):e69. Epub 2006 Feb 28. (Volltext)
  • Ward, Jamie: The Student´s Guide to Cognitive Neuroscience (3rd edition). Hove, Sussex: Psychology Press (2015).
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