Arbeitsgruppe Neuroimaging und neurofunktionelle Bildgebung

zurück

Aufgaben

Die Arbeitsgruppe Neuroimaging und neurofunktionelle Bildgebung betreibt  klinische und grundlagenorientierte Forschung auf den Gebieten Neuroradiologie und Neurowissenschaften mit multimodaler morphologischer und neurofunktioneller Bildgebung.

Neben der Erforschung normaler und durch verschiedene Krankheiten veränderter Hirnfunktionen liegt ein Schwerpunkt auf der Entwicklung, Etablierung und Standardisierung neuer morphologischer und funktioneller Bildgebungsmethoden für die Anwendung an Patienten:

• Forschung
• Entwicklung
• klinische Anwendung

• Schulung
• Ausbildung
• Öffentlichkeitsarbeit

Dem Gehirn bei der Arbeit zusehen

Die neurofunktionelle Bildgebung ermöglicht die nichtinvasive Messung und Visualisierung von Hirnfunktionen, wobei mit verschiedenen Verfahren unterschiedliche Korrelate neuronaler Aktivierung direkt (elektromagnetische Felder: Elektroencephalographie (EEG), Magnetoencephalographie (MEG)) bzw. indirekt (Hämodynamik, Metabolismus: funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), Positronen-Emissions-Tomographie (PET)) gemessen werden.

Mit herkömmlicher (morphologischer) Bildgebung kann nur die Struktur des Gehirns beurteilt werden. Die Funktion des Gehirns (neuronale Aktivität) bleibt dabei unsichtbar. Durch die „neurofunktionelle Bildgebung“ ist es möglich geworden, die  Morphe und Funktion des menschlichen Gehirns gemeinsam darzustellen und so dem Gehirn gleichsam bei der Arbeit zuzusehen. Hierfür muss die Aktivität der Nervenzellen gemessen und lokalisiert werden. Dies geschieht durch Fusion funktioneller Messungen mit morphologischen Bildern. Die oben genannten Verfahren haben verschiedene Vor- und Nachteile wobei die fMRT zur Kartierung von Hirnfunktionen inzwischen das klar dominierende Verfahren ist (gute örtliche Auflösung, keine Strahlenbelastung, keine Kontrastmittelgabe, flächendeckende Verfügbarkeit leistungsfähiger MR-Tomographen). Die zeitliche Auflösung ist etwas geringer als bei den elektrophysiologischen Verfahren. Die PET wird wegen der Strahlenbelastung und wegen der schlechteren örtlichen und zeitlichen Auflösung zur Messung von Hirnfunktionen immer seltener benutzt.

Funktionelle Magnetresonanztomographie

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist ein modernes, nichtinvasives Bildgebungsverfahren zur Messung und Lokalisation spezifischer Funktionen des menschlichen Gehirns ohne Anwendung ionisierender Strahlung. Hierfür ist immer die gezielte Stimulation neurofunktioneller Systeme erforderlich. Spontane Hirnaktivierung kann nicht gemessen werden. Die Hirnfunktionen werden mit hoher Ortsauflösung indirekt erfasst über lokale hämodynamische Veränderungen im Kapillarbett und in den drainierenden Venen „funktioneller Areale“. Bei der Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) Technik dient das Blut selbst als intrinsisches Kontrastmittel. Die Lokalisation des BOLD-Signals und der Ort tatsächlicher neuronaler Aktivierung stimmen sehr gut überein. Die fMRT erschließt damit der Radiologie und Neuroradiologie ein neues diagnostisches Feld mit einem Paradigmenwechsel von der rein morphologischen Abbildung von Hirnfunktionen hin zur Messung und Visualisierung von Hirnfunktionen. Die fMRT wird vorwiegend in der grundlagenorientierten neurowissenschaftlichen Forschung eingesetzt, um die generelle Funktionsweise des gesunden Gehirns zu untersuchen. Klinische Anwendungen sind noch selten. Begründet liegt dies im vergleichsweise hohen Untersuchungsaufwand, den fehlenden Standards für die Durchführung, Auswertung und Interpretation klinischer fMRT Daten und der fehlenden medizinischen Zulassung wichtiger Hard- und Softwarekomponenten. Klinische fMRT-Untersuchungen müssen daher im Rahmen wissenschaftlicher Studien durchgeführt werden! Die Etablierung eigener Routinen bleibt eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung klinischer fMRT Untersuchungen bis verbindliche Empfehlungen erarbeitet sind.

Abb. 1: Geeignete Bewegungen für klinische fMRT-Untersuchungen; a) komlpexe Fingeropposition D2-5 gegen D1; b) Zehenflexion / extension; c) vertikale Zungenbewegung bei geschlossenem Mund, Bewegungsfrequenz > 2 Hz.

Abb. 2: Somatotopes Mapping des linkshemisphärischen primären sensorimotorischen Kortex während selbstgetriggerter rechtsseitiger Zehenbewegungen (links), Fingerbewegungen (Mitte links) und Zungenbewegungen (Mitte rechts). Schemazeichnung des motorischen Homunculus (rechts).

Aus: Stippich, C. et al., Fortschr. Röntgenstr 2003; 175: 1042-1050

In der Abteilung Neuroradiologie wird die fMRT seit 1998 im Rahmen klinischer Studien angewendet. Hierfür stehen 2 Magnetresonanztomographen neuester Bauart der Feldstärken 1,5 Tesla und 3 Tesla zur Verfügung. Bisher wurden mehr als 500 Patienten mit Hirntumoren, chronischen Schmerzen, verschiedenen neurologischen und psychiatrischen Krankheitsbildern untersucht. Wir sind eines der wenigen Zentren, die fMRTs standardisiert in der klinischen Routine durchführen. Bei Patienten mit Hirntumoren wird die fMRT durchgeführt, um die Indikation zur OP zu prüfen und um ein funktionsschonendes Operieren zu erlauben. Ziel ist es Lähmungen, Sensibilitätsausfälle oder Sprachdefizite zu vermeiden, die durch eine Beschädigung gesunden funktionellen Hirngewebes bei der OP entstehen können und gleichzeitig soviel Tumor zu entfernen, wie dies gefahrlos möglich ist. Bei der Operation werden funktionelle Daten im Operationscomputer zur Neuronavigation verwendet. Neue Möglichkeiten erschließen sich auch durch die Darstellung von Faserverbindungen im Gehirn. Mit dem Diffusions-Tensor-Imaging (DTI) können z.B. Faserbahnen dargestellt werden, die bei Operationen geschont werden müssen, da sonst die Funktionen des Gehirns nicht mehr übertragen werden können. Bei anderen Patienten mit therapierefraktären chronischen Schmerzen untersuchen wir die zerebralen Mechanismen, die den Schmerz vermitteln um bestehende Therapien zu verbessern und neue therapeutische Ansätze zu entwickeln. Die Untersuchungszeiten für die klinische fMRT liegen meist unter 30 Minuten.

Funktionell-neuroanatomische Diagnose, Therapie und postoperativer Verlauf

Vor allem medio-parietal wachsendes Glioblastom mit ausreichendem Abstand des Kontrastmittel anreichernden Tumoranteils zum primären sensorimotorischen Kortex und zur Pyramidenbahn (Abb. 3). Indikation zur Operation. Der anreichernde Tumoranteil wurde vollständig reseziert. Im postoperativen Verlauf vollständige Rückbildung der kontralateralen Paresen und weitgehende Besserung der Sensibilitätsstörungen.

Aus: Stippich, C. et al., Fortschr. Röntgenstr 2003; 175: 1042-1050

Abb. 3: fMRT Motorik und taktile Stimulation. Prächirurgische funktionell-neuroanatomische Diagnostik bei einer 60 jährigen Patientin mit vorbestehender Hemiparese rechts Kraftgrad 3/5 und Hypästhesie aufgrund eines linkshemisphärischen, rolandischen Glioblastoms. In der anatomischen Bildgebung war tumorbedingt keine sichere Identifikation bildmorphologischer Landmarken möglich.

Oben: Standarduntersuchung

Somatotopes Mapping des sensorimotorischen Kortex. fMRT-Diagnose: Ausreichender Abstand der kortikalen Repräsentationen von unterer Extremität (oben links), oberer Extremität (oben Mitte) und Zunge (oben rechts) vom Kontrastmittel anreichernden Tumoranteil.

Unten: Zusatzuntersuchungen

Lokalisation des linkshemisphärischen prämotorischen und primär-motorischen Kortex (Koaktivierung) durch Bewegung der tumorseitigen, nicht betroffenen linken Hand (unten links). Diese Zusatzuntersuchung ermöglicht prächirurgische fMRT Untersuchungen auch bei Patienten, bei denen wegen hochgradiger kontralateraler Paresen kein herkömmliches somatotopes Mapping durchführt werden kann. Vergleiche die gute Übereinstimmung der Lokalisation tumorseitiger primärer sensorimotorischer Aktivierung bei ipsilateraler und kontralateraler Stimulation (oben Mitte).

Vollautomatisches taktiles Mapping des primären somatosensiblen Kortex (unten Mitte). Stimulation von Daumen und Zeigefinger der rechten Hand (Frequenz 4 Hz, Luftdruck 3 bar). Diese Zusatzuntersuchung erlaubt die Untersuchung von unkooperativen und sedierten Patienten oder solchen mit stark eingeschränkter kontralateraler motorischer Funktion. Hier dient sie als Ergänzung zur ipsilateralen Stimulation. Gute Übereinstimmung der primären somatosensiblen Lokalisation zur somatosensiblen Komponente der sensorimotorischen Aktivierung bei kontralateraler Fingeropposition. Beide Zusatzuntersuchungen gemeinsam ergeben dieselbe funktionelle Information, wie die kontralaterale Fingeropposition (oben Mitte).

Darstellung der Pyramidenbahn (unten rechts). Kein Nachweis einer Verlagerung oder Infiltration der Pyramidenbahn durch das Glioblastom.

Funktionell-neuroanatomische Diagnose, Therapie und postoperativer Verlauf

Prächirurgische Diagnostik mit Sprachaufgaben im fMRT (Abb. 4). Vor allem links frontal wachsendes Rezidiv eines Astrozytoms (WHO II), das unmittelbar an das Broca-Sprachzentrum heranreicht (Abb. 5). Empfehlung zur Teilresektion des malignisierten KM-anreichernden Tumoranteils mit nachfolgender Strahlentherapie. Histolopathologische Diagnose: teils malignisiertes anaplastisches Gliom (WHO III). Postoperativ keine Sprachdefizite oder sonstige neurologische Defizite.

Abb. 4: Präsentation von Bildern und Worten während der funktionellen MRT. a) Videoprojektor, b) Leinwand am Tomograph, c) Spiegelsystem zur Betrachtung der Bilder auf der Leinwand.

Abb. 5: Sprach-fMRT, Wortgenerierung. Prächirurgische fMRT-Diagnostik bei einem 43 jährigen Rechtshänder mit links frontalem Rezidiv eines Astrozytoms. Keine Aphasie. Trainingszeit vor fMRT ~ 90 Minuten. Lokalisation des Broca- und des Wernicke Sprachzentrums (axial), des Broca-Sprachzentrums und der motorischen Zungenrepräsentation (sagittal). Beachte die vom Wernicke-Sprachzentrum gut abgrenzbare kräftige BOLD-Antwort im visuellen Kortex.

Für Patienten bieten wir folgende Studienuntersuchungen an:

Funktionelle MRT (fMRT) bei Patienten mit Hirntumoren –

schonendere Operationen

Vor geplanten neurochirurgischen Eingriffen werden mit der fMRT nichtinvasiv wichtige Funktionen im Gehirn der Patienten dargestellt. Hierdurch ist es möglich die Gefahr für bleibende Schäden nach der Operation abzuschätzen, wie etwa Lähmungen, Sensibilitätsstörungen, Sprach- oder Gedächtnisdefizite. Die fMRT erleichtert die Auswahl der besten Therapie und ermöglicht eine detaillierte Abschätzung von Nutzen und Risiken. Durch die Darstellung funktioneller Hirngebiete in Operationscomputern wird die Planung und Durchführung funktionserhaltender Operationen unterstützt.

Klinische fMRT-Untersuchungen dauern zwischen 10 und 30 Minuten. Vorher muss mit jedem Patienten ein individuelles Training von Bewegungs-, Sprach- oder Gedächtnisaufagben durchgeführt werden, so dass Sie zwischen einer und zwei Stunden für eine klinische fMRT-Untersuchung einplanen sollten. FMRT-Untersuchungen werden für ambulante und stationäre Patienten angeboten.

Funktionelle MRT (fMRT) bei Patienten mit chronischen Schmerzen

Im Rahmen einer multizentrischen Studie wird die Schmerzverarbeitung im Gehirn bei Patienten mit chronischem Gesichtsschmerz (Trigeminusneuralgie, Trigenimusneuropathie) untersucht, mit dem Ziel Ansätze für eine bessere chirurgische (Janetta-Operation, Thermokoagulation) oder medikamentöse Therapie zu finden.

Die fMRT-Untersuchungen dauern ca. eine knappe Stunde. Es ist kein Training erforderlich. Über Luftdruckimpulse werden die Lippen und Finger schmerzfrei stimuliert.

Funktionelle MRT (fMRT) nach Schlaganfall

Zusammen mit den Schmieder-Kliniken Speyererhof werden motorische, somatosensible und sprachassoziierte Hirnfunktionen in Verlauf nach Schlaganfall untersucht. Durch die Messung der Hirnaktivierung soll einerseits eine Aussage zur Prognose getroffen werden, andererseits wird die Wirkung spezifischer Therapieformen untersucht.