fMRT

fMRT funktionelle Magnetresonanztomographie – Definition

Die fMRT ist eine Sonderform der MRT (Magnetresonanztomographie).

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

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).

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.

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.

fMRT

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

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.

Abbildung 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.

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

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 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.

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.

Abbildung 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.