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fMRT

Gehirnaktivität sichtbar machen? Das geht! Die funktionelle Magnetresonanztomographie, kurz fMRT, macht es möglich. Sie wird vor allem in Neurochirurgie, Forschung und Diagnostik angewendet.

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Gehirnaktivität sichtbar machen? Das geht! Die funktionelle Magnetresonanztomographie, kurz fMRT, macht es möglich. Sie wird vor allem in Neurochirurgie, Forschung und Diagnostik angewendet.

Du willst Dich zunächst genauer mit der Funktionsweise eines gewöhnlichen MRT beschäftigen? Dann schau doch im Artikel zur Magnetresonanztomographie vorbei!

fMRT funktionelle Magnetresonanztomographie – Definition

Die fMRT ist eine Sonderform der MRT (Magnetresonanztomographie).

Die fMRT ist ein komplexes, funktionell bildgebendes Verfahren, das die Gehirnaktivität sichtbar macht. Dazu nutzt es Unterschiede der Durchblutung verschiedener Gehirnareale, denn diese korreliert mit der Stoffwechselaktivität des Gewebes.

Es entstehen Serien von Schnittbildern, in denen Areale mit besonders aktiven Nervenzellen markiert sind.

Allgemein gehören zur funktionellen Bildgebung alle Verfahren, die Stoffwechsel bzw. Gewebeaktivität darstellen können. Weitere Beispiele für funktionelle Bildgebung sind das PET-CT und die SPECT.

fMRT Funktionsweise

Was ist die Funktionsweise einer fMRT? Grundlegend sind dafür natürlich die Prinzipien einer normalen Magnetresonanztomographie.

MRT

Im Gegensatz zur CT, einem ebenfalls weitverbreiteten bildgebendem Verfahren in der Medizin, bedeutet eine Magnetresonanztomographie (MRT) für den Körper keine Strahlenbelastung. Statt auf Röntgenstrahlung beruht ihre Funktion auf einem starken Magnetfeld (1,5–3,5 Tesla).

Das Magnetfeld einer Magnetresonanztomographie kann ca. 30.000 Mal stärker sein als das Erdmagnetfeld und wäre in der Lage, Autos anzuheben.

Es macht sich die Protonen zunutze, die im Gewebe vorhanden sind. Diese Protonen verfügen über einen sogenannten Kernspin und eine Ladung. Sie sind somit im Magnetfeld ausrichtbar. Ohne Magnetfeld haben die Protonenspins keine richtige Ordnung und zeigen in ganz verschiedene Richtungen. Im Magnetfeld der MRT richten sie sich jedoch aus und sind nun parallel oder antiparallel zu den Feldlinien vorzufinden. Das Verhältnis ist dabei nicht exakt 50:50. Weil diese Position energieärmer ist, zeigt eine kleine Mehrheit nach oben. Insgesamt ergibt sich daher eine Magnetisierung.

Der Protonenspin verhält sich ähnlich wie ein Spielzeugkreisel und beginnt, um die Ausrichtungsachse zu kreiseln. Im dreidimensionalen Raum besteht durch die Spins eine Magnetisierung in Richtung der Z-Achse.

Die Frequenz, in der dieses Kreiseln stattfindet, nennt man Larmorfrequenz. Sie ist u. a. von der Stärke des Magnetfeldes abhängig.

Als Nächstes wird ein Hochfrequenzimpuls eingespielt. Die Richtung der Spins wird gekippt, sodass plötzlich eine Magnetisierung in der XY-Ebene vorliegt. Gemessen werden können nun zwei verschiedene Zeiten:

  • die Zeit, bis die Magnetisierung in Z-Richtung sich wieder eingestellt hat (Längsrelaxation, T1-Wichtung)
  • die Zeit, bis das Magnetfeld in der XY-Ebene sich wieder abgebaut hat (Querrelaxation, T2-Wichtung)

Diese Zeiten unterscheiden sich je nach Gewebe. Sie werden detektiert und in Graustufen umgerechnet, aus denen sich das fertige MRT-Bild zusammensetzt.

MRT-Bilder sind besser zur Darstellung von Weichteilen als die CT. In Notfällen wird trotzdem eher die CT verwendet, da für eine Magnetresonanztomographie mehr Zeit benötigt wird.

fMRT

Das Grundprinzip der fMRT gleicht also dem der normalen Magnetresonanztomographie. Um spezifisch Aktivität zu detektieren, macht man sich den sogenannten BOLD-Effekt zunutze.

Der BOLD-Effekt (Blood-Oxygenation-Level Dependent Effekt) kommt durch die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von Hämoglobin zustande, die von seiner Beladung mit Sauerstoff abhängig sind. Hämoglobin ist der rote Blutfarbstoff und als Bestandteil der Erythrozyten wesentlich für den Sauerstofftransport verantwortlich.

Oxyhämoglobin (mit O₂ beladenes Hämoglobin) ist diamagnetisch, besitzt also von sich aus kein Magnetfeld. Desoxyhämoglobin (Hämoglobin ohne O₂) hingegen ist paramagnetisch und somit magnetisierbar.

Zusammenfassend beschreibt der Effekt, dass sich oxygeniertes und desoxygeniertes Hämoglobin im Magnetfeld anders verhalten.

Kann man das unterschiedliche Verhalten der Protonen im Hämoglobin zuordnen, so kann das Verhältnis von sauerstoffreichem und sauerstoffarmen Blut bestimmt werden.

Bei Stimulation eines Gehirnareals wird sein Stoffwechsel gesteigert und es kommt zur Mehrdurchblutung. Der Anteil von desoxygeniertem und oxygeniertem Blut wird dabei ebenfalls verändert. Diese Veränderung wird detektiert.

Ablauf fMRT

Ähnlich zur klassischen MRT liegt der Patient während des Ablaufs des fMRT in einem Magnetresonanztomographen. Dabei handelt es sich, ähnlich wie bei einer CT, um enge Röhren. Um bestimmte Gehirnareale anzuregen, kommen elektrische, optische oder akustische Reize zum Einsatz.

fMRT Magnetresonanztomograph StudySmarterAbbildung 1: Magnetresonanztomograph

Während der Magnetresonanztomographie können Aufgaben gelöst werden. Bspw. werden dem Patienten bestimmte Begriffe vorgelesen, zu denen er sich passende andere Wörter überlegen soll. Dem Patienten können auch Sätze vorgelegt werden und er soll darüber nachdenken, ob diese Sinn ergeben. Es kommt zur Stimulation des visuellen Kortex und der Areale, die für die Sprache verantwortlich sind.

Eine konkrete Aufgabe, die z. B. bereits in der Schizophrenie-Forschung eingesetzt wurde, ist das N-back-Paradigma. Sie testet primär das visuell-räumliche Arbeitsgedächtnis. Dem Probanden wird eine Reihe visueller Reize gezeigt. Dabei kann es sich etwa um eine Tafel mit vier nummerierten Punkten handeln, die jeweils einzeln aufleuchten können.

Der Proband muss einen dieser leuchtenden Punkte auswählen. Welchen genau, wird ihm zuvor aufgetragen:

  • 0-back: direkt zuvor präsentierter Punkt
  • 1-back: vorletzter Punkt
  • 2-back: vorvorletzter Punkt

Während die Aufgaben gelöst werden, wird der Kopf der Probanden fixiert. So lassen sich Bewegungsartefakte umgehen.

Der Patient ist während der Untersuchung mit einer Sprechanlage mit dem Arzt verbunden und hat zusätzlich einen Notfallknopf.

fMRT MRT Unterschied

Grundsätzlich beruhen fMRT und MRT auf der gleichen, oben beschriebenen Technologie. Beide Verfahren sind nicht-invasiv, erfordern also keine Einführung von Werkzeugen in den Körper. Die größten Unterschiede sind jedoch:

  • Das fMRT benötigt noch mehr Mitarbeit durch den Patienten, da z. B. Aufgaben gelöst werden müssen.
  • Anders als bei der normalen Magnetresonanztomographie wird der BOLD-Effekt genutzt.
  • Das fMRT ist auf Hirngewebe spezialisiert.

fMRT Anwendungsgebiete

Die fMRT Anwendungsgebiete liegen in Bereichen der Hirnforschung und Psychiatrie. Eine Vielzahl von Erkrankungen könnten grundsätzlich mithilfe einer fMRT genauer untersucht werden. Dazu gehören:

  • Parkinson Syndrom
  • Demenz
  • Depressionen
  • Zustand nach einem Schlaganfall
  • Schizophrenie
  • Gedächtnisstörungen
  • Anhaltende Muskelkrämpfe (Dystonien)
  • Epilepsie
  • Hirntumore

In der Standarddiagnostik hat sich die fMRT bisher nicht durchsetzen können!

In der Klinik ist die wichtigste Indikation jedoch die Vorbereitung von Hirnoperationen. Muss ein Hirntumor neurochirurgisch entfernt werden, so sollen dabei andere Hirnareale nicht in Mitleidenschaft gezogen werden. Das gilt insbesondere für wichtige Areale wie die Sprachzentren oder die Bereiche für Bewegung und Sensibilität. Mithilfe einer fMRT kann dann geklärt werden, ob wichtige Areale betroffen sind und wie man die Operation schonend durchführen könnte.

Die für die Sprache entscheidenden Hirnareale heißen Broca- und Wernicke-Areal. Während das Broca-Areal für die Sprachproduktion verantwortlich ist, benötigt man das Wernicke-Areal für das Sprachverständnis. Fällt eines von ihnen aus, spricht man entsprechend entweder von einer Broca- oder einer Wernicke-Aphasie.

Interpretation

Um überhaupt einen Unterschied machen zu können, müssen Aufnahmen im ruhenden und im stimulierten Zustand angefertigt werden. Diese lassen sich anschließend vergleichen.

Die visuelle Darstellung der neuronalen Aktivität wird vom Computer übernommen. Beachtet werden muss jedoch eine gewisse Latenzzeit, die zwischen neuronaler Aktivität und Steigerung der Durchblutung liegt.

Die zeitliche Auflösung ist im Vergleich mit Methoden wie einem EEG eher gering, dafür lässt sich eine Stimulation räumlich millimetergenau lokalisieren.

fMRT Beispiel StudySmarterAbbildung 3: fMRT Bild (Beispiel)

fMRT Risiken

Nach heutigem Stand der Wissenschaft ist die funktionelle Magnetresonanztomographie ungefährlich und birgt keine Risiken für die Patienten. Die fMRT-Untersuchung ist also ein sehr sicheres, ungefährliches Verfahren und kann häufiger wiederholt werden. Zu beachten ist jedoch:

  • Im Gerät ist es sehr eng, Patienten mit Platzangst können die Untersuchung daher als äußerst belastend wahrnehmen.
  • Es auch sehr laut, weshalb den Patienten Kopfhörer gegeben werden.
  • Durch das starke Magnetfeld dürfen keine metallischen Gegenstände in unmittelbare Nähe des Geräts gebracht werden. Das heißt auch, bei Menschen mit implantierten Schrittmachern, Defibrillatoren, Prothesen oder (Metall-)Implantaten (z. B. Knochenschrauben, Hüftprothese etc.) kann eine fMRT nicht durchgeführt werden.

Ein großer Vorteil der fMRT im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsverfahren ist, dass vor der Untersuchung keine, sonst oft radioaktiven, Substanzen eingenommen werden müssen.

fMRT – Das Wichtigste

  • fMRT Definition: Die fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie) ist ein bildgebendes Verfahren, das in Forschung und Diagnostik eingesetzt wird, um Gehirnaktivität abzubilden.
  • fMRT Funktionsweise: Technisch ähnelt die fMRT der gewöhnlichen MRT, sie macht sich allerdings zusätzlich den BOLD-Effekt (unterschiedliche magnetische Eigenschaften von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin im Blut) zunutze. Das Verfahren ist nicht-invasiv und sehr risikoarm.
  • fMRT Anwendungsgebiete: Haupteinsatzbereich ist die Planung von neurochirurgischen Operationen, bei denen wichtige Hirnareale geschont werden sollen. Während der Untersuchung müssen meist Aufgaben gelöst werden, um diese Areale zu stimulieren.
  • fMRT MRT Unterschied: fMRT nutzt als funktionelles Verfahren den BOLD-Effekt und benötigt dazu die Mitarbeit der Patienten. Es ist außerdem im Gegensatz zur MRT auf Hirngewebe spezialisiert.

Nachweise

  1. Giesel, F.L. et al. (2005) Das Arbeitsgedächtnis bei Gesunden und bei Schizophrenen: Untersuchungen mit BOLD-fMRT. Radiologe 45, 144–152
  2. viamedici.de: Messung von Hirnfunktionen: EEG, evozierte Potenziale, funktionelle Bildgebung. (09.09.2022)
  3. Abb. 1: Magnetresonanztomograph (https://pixabay.com/de/photos/mrt-kernspintomographie-diagnose-2813914/) von jamorluk unter Pixabay Lizenz
  4. Abb. 3: fMRT Bild (Beispiel) (https://de.wikipedia.org/wiki/Funktionelle_Magnetresonanztomographie#/media/Datei:Fmrtuebersicht.jpg) von Martin Witte unter Public Domain

Häufig gestellte Fragen zum Thema fMRT

Die fMRT (funktionelle Magnetresonanztomografphie) ist eine Sonderform des MRT und ein komplexes funktionell bildgebendes Verfahren, das in der medizinischen Diagnostik eingesetzt wird und die Gehirnaktivität dargestellt. 

Die fMRT wird in vielen Bereichen der Forschung eingesetzt. Sie ist besonders bedeutungsvoll in der Hirnforschung und Psychiatrie. Meistens wird sie als Voruntersuchung vor neurologischen Eingriffen eingesetzt.

Aktivierte bzw. stimulierte Hirnareale benötigen mehr Sauerstoff und Glukose als im nicht aktivierten Zustand. Bei der fMRT wird die magnetische Stärke des Hämoglobins, welches beim Menschen als Sauerstofftransportprotein fungiert, gemessen. Wenn Hämoglobin Sauerstoff gebunden hat, besitzt es andere magnetische Eigenschaften, als wenn kein Sauerstoff an das Hämoglobin gebunden ist.

Der Patient liegt wie bei der normalen MRT in einem Kernspintomografen. Dabei werden ihm aber Bilder gezeigt oder Aufgaben (z. B. Bein heben etc.) gestellt, um die Gehirnaktivitäten zu messen. Zum Abschluss werden die Bilder des nicht aktivierten Hirnareals mit dem aktivierten Zustand verglichen.

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