Arbeitsgruppe Funktionelle Bildgebung

Anschrift in der Klinik
Klinik für Neurologie der Universität Regensburg
im Bezirksklinikum
Universitätsstraße 84
93053 Regensburg

Mitarbeiter

Dr. med. Susanne Gänsbauer	susanne.gaenssbauer@medbo.de
Dr. med. Tobias Schmidt-Wilke	tobias.schmidt-wilcke@klinik.uni-regensburg.de

Funktionelle Bildgebung (fMRI)
Voxelbasierte Morphometrie (VBM)

Was leistet die funktionelle Bildgebung?

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) ist eine neue Methode zur Darstellung von Gehirnaktivität. Im Gegensatz zur herkömmlichen strukturellen Bildgebung mittels Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie macht sich die funktionelle Bildgebung die Tatsache zu Nutzen, dass der regionale zerebrale Blutfluss (rCBF) eng mit der neuronal-synaptischen Aktivität einer Region gekoppelt ist. In dem aktiven Gehirnareal führt das diamagnetische mit O2 beladene Oxyhämoglobin zu einem Signalanstieg im MR-Bild, was ausgenutzt werden kann, um funktionelle Bilder des Gehirns zu erzeugen.
Um das Gehirn selektiv in bestimmten Arealen zu aktivieren, kommen motorische (z.B. Fingerbewegungen), visuelle (z.B. Lichtblitze, Schachbrettmuster), auditive (z.B. Sinustöne), somatosensorische (z.B. periphere elektrische Stimulation) Paradigmen in Frage.

Abb. 1: Aktivierung im ektopen und normalen Kortex bei "Double-Cortex" Syndrom. Die Aktivierungen, kontralateral zur Seite der durchgeführten Fingerbewegungen, sind in Farbe als parametrische Karten auf eine T1-gewichtete MR-Aufnahme dargestellt. Die linke Seite des Bildes entspricht der linken Gehirnhälfte.
Als Aktivierungsparadigma wurde das sog. "fingertapping" bilateral im Blockdesign durchgeführt.

Auswertung
Da es während der Aktivierungsphasen in den unterschiedlichen Gehirnregionen zu einer Signaländerung kommt, lassen sich mit geeigneten statistischen Methoden Signaldifferenzen bestimmen, die zu einem Aktivierungsbild verarbeitet werden können. Für die statistische Auswertung dieser feinen Signalunterschiede benutzen wir das MATLAB basierte Auswertverfahren Statistical Paramertric Mapping (SPM) http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/

Funktionelle Bildgebung bei Kopfschmerzen
Ist in der Kopfschmerzphase eine bestimmte Hirnregion neuronal aktiver als in der Ruhephase (z.B. das Cingulum als allgemein schmerzverarbeitende Struktur), wird der rCBF in dieser Region quantitativ signifikant gegenüber der Umgebung und gegenüber der Ruhephase erhöht sein. Positronen Emissions Tomographie (PET) repräsentiert eine Methode, die es erlaubt in vivo Veränderungen des regionalen cerebralen Blutflusses im Menschen während einer Kopfschmerzattacke darzustellen und eventuell spezifische Gehirnareale für die jeweilige Kopfschmerzerkrankung zu identifizieren. Aktivierungen eines ganzen Netzwerkes an unspezifischen schmerzverarbeitenden cerebralen Strukturen sind beim Menschen durch PET-Untersuchungen seit einigen Jahren bekannt. Unabhängig von der Schmerzlokalisation oder Präsentation ist dieses zerebrale Netzwerk (u.a. Cingulum, Frontallappen, Inselrinden und Thalamus) für die allgemeine Repräsentation und Beurteilung von Schmerzen zuständig.

Voxelbasierte Morphometrie (VBM)

Um regionale strukturelle Unterschiede im menschlichen Gehirn zu analysieren, wird bei der Voxel-basierten Morphometrie das gesamte dreidimensionale Hirnvolumen auf der Voxel (Bildpunkt) Ebene auf Anteile von grauer, weisser Substanz oder Gehirnflüssigkeit/ Knochenstrukturen überprüft. Mittels dieser Überprüfung können so die Wahrscheinlichkeiten ihres Auftretens gewonnen werden. Dabei werden alle kernspintomographische Bilder der untersuchten Gehirne auf ein einheitliches Maß gebracht, um die Daten in einem standardisierten Raum (entspr. Koordinatensystem) auszuwerten. So sind Vergleiche mit mehreren Personen möglich. Um diese Vergleiche gewährleisten zu können, werden zuerst die Ausrichtung und die Größe der Gehirne korrigiert: Die Ausrichtung im Raum erfolgt durch Verschiebung und Drehung und die Größenänderung durch Skalierung und Scherung. Zum einem befinden sich nach diesem Vorgang alle Hirnvolumina im selben standardisierten Raum, zum anderem werden die lokale strukturelle Differenzen hervorgehoben.
Die anschliessende Unterteilung in Abschnitte ergibt parametrische Karten, mit korrespondierenden Anteilen für graue oder weisse Substanz, bzw der Gehhirnflüssigkeit/ Knochenstrukturen. Die Karten werden in jedem Voxel statistisch analysiert. So lassen sich die lokale strukturelle Unterschiede errechnen, welche eine veränderte Konzentration oder Volumen aufweisen.

Cluster-Kopfschmerz
Im Vergleich der dreidimensionalen MR-Daten der T1 gewichteten scans von 19 rechtshändigen Cluster-Kopfschmerz Patienten mit den MR-scans von 29 rechtshändigen gesunden Versuchspersonen ohne Kopfschmerzanamnese fand sich ein signifikanter struktureller Unterschied in der Konzentration und der Ausdehnung der grauen Substanz im Bereich des Hypothalamus.

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PET-Aktivierung
(funktionelle Änderung)

Voxel-basierte Morphometrie
(strukturelle Änderung)

Abbildung 1:
PET-Aktivierung in 9 Patienten während der akuten Cluster-Kopfschmerzattacke (obere Reihe) und strukturelle Veränderung der grauen Substanz in 19 Cluster Kopfschmerzpatienten verglichen mit Kontrollpersonen (Nach: May et al. Nature Medicine 1999)

Narkolepsie
In Zusammenarbeit mit der Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie der Universität Regensburg wurden Patienten mit Narkolepsie untersucht. Mit Hilfe der VBM konnte ein bilateraler Verlust von grauer Substanz im Hypothalamus bei 29 Narkolepsie- Patienten im Vergleich zu alters- und geschlechts- korrelierten gesunden Kontrollpersonen demonstriert werden.
Genetische, histopathologische sowie liquordiagnostische Studien aus den letzten Jahren weisen eindeutig auf eine Korrelation zwischen dem Mangel des Hormones "Hypocretin" im zentralen Nervensystem und der Narkolepsie des Menschen hin. Die wesentliche, derzeit in der Fachliteratur diskutierte Frage ist jedoch, ob der Hypocretinmangel auf eine Dysfunktion der Hypocretin herstellenden Zellen im Hypothalamus beruht, oder, ob diese Zellen tatsächlich zugrunde gehen. Unsere Ergebnisse bestätigen erstmals in vivo die Hypothese, dass ein Verlust der Hypocretin-1 und -2 produzierenden Zellen im Hypothalamus den neuroanatomischen Substrat für die Erkrankung darstellt.

Abbildung 2
Bilateraler Verlust von grauer Substanz im Hypothalamus von Narkolepsie - Patienten. Das Areal mit signifikantem Unterschied ist in rot auf ein representatives MR-Bild projiziert.

Darüber hinaus konnte bei den Narkolepsie-Patienten ein Mangel an grauer Substanz im Nucleus accumbens gezeigt werden. Von neuropathologischen Studien ist bekannt, dass die Projektionen der Hypocretin - 2 produzierenden Neuronen präferenziell im Nucleus accumbens und im Nucleus paraventricularis umschalten. Der Mangel an grauer Substanz im Nucleus accumbens könnte als sekundärer neuronaler Verlust nach Zerstörung der Hypocretin - 2 produzierenden neuronalen Projektionen interpretiert werden. Die Dysfunktion des Nucleus accumbens, als Schnittstelle des limbischen und motorischen Systems voneinander ist eine mögliche Erklärung für die bislang ungeklärte Assoziation zwischen einer Schlaferkrankung und Emotionen, die in dem, für Narkoleptiker typischen "affektiven Tonusverlust" resultiert.

Abbildung 3
Detailaufnahmen mit bilateralem Verlust von grauer Substanz im Hypothalamus von Narkolepsie Patienten. Nucleus accumbens ist mit einem Pfeil markiert.

Zervikale Dystonie
Die VBM-Analyse zeigte bei Patienten mit einer zervikalen Dystonie (Torticollis) eine bilaterale Zunahme von grauer Substanz im Motorkortex, Cerebellum sowie im rechten Globus pallidus internus (Gpi).

Abbildung 4
Bilaterale Zunahme von grauer Substanz im Motorkortex, Cerebellum und rechten Globus pallidus internus bei Dystonie - Patienten. Das Areal mit signifikantem Unterschied ist in rot auf ein representatives MR-Bild projiziert

Die Ergebnisse legen nahe, dass die Dysbalance in den motorischen Regelkreisen möglicherweise von morphologisch fassbaren Hirnplastizitäts-Vorgängen begleitet wird.

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