Neuroimaging umfasst die Anwendung quantitativer (rechnerischer) Methoden zur Untersuchung der Struktur und Funktion des Zentralnervensystems. Dieses Gebiet entwickelte sich zu einem objektiven Ansatz für die nicht-invasive wissenschaftliche Untersuchung des gesunden menschlichen Gehirns. Zunehmend wird es auch in quantitativen Forschungsstudien zu Hirnerkrankungen und psychiatrischen Störungen eingesetzt. Neuroimaging ist von Natur aus multidisziplinär und integriert Prinzipien aus Neurowissenschaften, Informatik, Psychologie und Statistik und stellt kein medizinisches Fachgebiet dar.
Neuroimaging wird gelegentlich mit Neuroradiologie verwechselt. Die Neuroradiologie, ein eigenständiges medizinisches Fachgebiet, nutzt nichtstatistische Bildgebung des Gehirns im klinischen Kontext, die von medizinischen Radiologen durchgeführt wird. Sein Hauptaugenmerk liegt auf der Identifizierung von Hirnläsionen, einschließlich Gefäßpathologien, Schlaganfällen, Tumoren und entzündlichen Erkrankungen. Im Gegensatz zum quantitativen Schwerpunkt der Neurobildgebung ist die Neuroradiologie überwiegend qualitativ und stützt sich auf subjektive Interpretationen und umfangreiche klinische Fachkenntnisse, obwohl sie möglicherweise grundlegende quantitative Techniken umfasst. Funktionelle Bildgebungsmodalitäten des Gehirns, wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), sind in der Neurobildgebung weit verbreitet, werden in der Neuroradiologie jedoch selten eingesetzt.
Neuroimaging wird grob in zwei Haupttypen eingeteilt: strukturelle und funktionelle Neuroimaging. Strukturelle Neurobildgebung wird verwendet, um detaillierte anatomische Bilder des Gehirns zu quantifizieren und zu erzeugen, am Beispiel der strukturellen MRT und der voxelbasierten Morphometrie. Die funktionelle Neurobildgebung hingegen wird zur Untersuchung der Gehirnfunktion eingesetzt, wobei häufig Techniken wie fMRT, Positronenemissionstomographie (PET) und Magnetenzephalographie (MEG) zum Einsatz kommen.
Historische Entwicklung
Die grundlegenden Ursprünge der Neurobildgebung gehen auf den italienischen Neurowissenschaftler Angelo Mosso zurück, der das „menschliche Kreislaufgleichgewicht“ entwickelte. Dieses Gerät ermöglichte die nicht-invasive Messung der Blutumverteilung in Zeiten emotionaler und intellektueller Aktivität.
Im Jahr 1918 führte der amerikanische Neurochirurg Walter Dandy die Ventrikulographie ein, eine Technik, bei der gefilterte Luft direkt in einen oder beide Seitenventrikel injiziert wird, um Röntgenbilder des Ventrikelsystems des Gehirns zu erhalten. Dandy beobachtete anschließend, dass Luft, die über eine Lumbalpunktion in den Subarachnoidalraum eingeführt wird, in die Hirnventrikel gelangen und die Liquorkompartimente umgrenzen kann, die die Basis und Oberfläche des Gehirns umgeben. Diese Methode wurde später als Pneumoenzephalographie bezeichnet.
Im Jahr 1927 war Egas Moniz Pionier der zerebralen Angiographie, die die präzise Visualisierung sowohl normaler als auch abnormaler Blutgefäße innerhalb und um das Gehirn herum ermöglichte.
In den frühen 1970er Jahren führten Allan McLeod Cormack und Godfrey Newbold Hounsfield die computergestützte Axialtomographie (CAT-Scanning) ein, die heute als Computertomographie (CT-Scanning) bekannt ist. Diese Innovation erleichterte die Erfassung immer detaillierterer anatomischer Gehirnbilder sowohl für diagnostische als auch für Forschungsanwendungen. Für ihre Beiträge erhielten Cormack und Hounsfield 1979 gemeinsam den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Nach dem Aufkommen der CAT in den frühen 1980er Jahren ermöglichte die Entwicklung von Radioliganden die Entstehung der Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) für die Bildgebung des Gehirns.
Gleichzeitig wurde die Magnetresonanztomographie (MRT oder MR-Scanning) von Forschern entwickelt, darunter Peter Mansfield und Paul Lauterbur, die 2003 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielten. Die MRT wurde klinisch eingeführt in den frühen 1980er Jahren, was in diesem Jahrzehnt zu erheblichen Fortschritten bei technischen Verbesserungen und diagnostischen MR-Anwendungen führte. Es stellte sich schnell heraus, dass die durch die PET erkennbaren erheblichen Veränderungen des Blutflusses auch mit spezifischen MRT-Techniken abgebildet werden können, was zur Entwicklung der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) führte. Seit den 1990er Jahren hat sich die fMRT aufgrund ihrer minimalen Invasivität, fehlenden Strahlenbelastung und relativ weit verbreiteten Verfügbarkeit zu einer vorherrschenden Modalität bei der Hirnkartierung entwickelt.
Anfang der 2000er Jahre war das Gebiet der Neurobildgebung so weit fortgeschritten, dass begrenzte praktische Anwendungen der funktionellen Bildgebung des Gehirns realisierbar wurden. Der Hauptanwendungsbereich umfasste rudimentäre Formen von Gehirn-Computer-Schnittstellen.
Der Weltrekord für die räumliche Auflösung in einem MRT-Bild des gesamten Gehirns mit einem Volumen von 100 Mikrometern wurde 2019 aufgestellt, wobei die Probenaufnahme etwa 100 Stunden dauerte. Der gesamte räumliche Auflösungsrekord für ein komplettes menschliches Gehirn wurde unabhängig von der Bildgebungsmodalität durch einen Röntgentomographiescan erreicht, der an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) durchgeführt wurde und eine Auflösung von etwa 25 Mikrometern über einen Zeitraum von 22 Stunden ergab. Dieser spezielle Scan trug zu einem umfassenderen Atlas menschlicher Organe bei, der Röntgentomographiescans verschiedener anderer menschlicher Organe mit gleichwertiger Auflösung umfasst.
Ein grundlegendes Prinzip der Magnetresonanztomographie beinhaltet die Manipulation des Nettomagnetisierungsvektors durch die Anwendung von Energie auf das Spinsystem. Diese Energie, die typischerweise über einen Hochfrequenzimpuls abgegeben wird, muss eine Frequenz besitzen, die genau zum Energieunterschied zwischen den Spinzuständen passt. Eine ausreichende Energiezufuhr in das System ermöglicht die Neuausrichtung des Nettomagnetisierungsvektors, wodurch er orthogonal zum vorherrschenden externen Magnetfeld wird.
Indikationen
Eine neuroradiologische Untersuchung folgt häufig einer neurologischen Untersuchung, wenn ein Arzt Gründe für eine weitere Untersuchung eines Patienten identifiziert, der an einer neurologischen Erkrankung leidet oder bei der ein Verdacht auf eine solche besteht.
Häufige klinische Indikationen für eine Neurobildgebung umfassen Kopftrauma, Schlaganfall-ähnliche Symptome (z. B. akute Hemiparese oder Hemianästhesie, Dysphasie oder Gangstörungen), Krampfanfälle, plötzlich einsetzende starke Kopfschmerzen und ungeklärte akute Veränderungen auf der Ebene des Bewusstseins.
Die Neuroradiologie ist auch ein wesentlicher Bestandteil der CT-, MRT- und PET-gesteuerten stereotaktischen Chirurgie oder Radiochirurgie, die zur Behandlung von intrakraniellen Tumoren, arteriovenösen Fehlbildungen und anderen chirurgisch zugänglichen Pathologien eingesetzt wird.
Einfache Synkope ist eine häufig anzutreffende neurologische Erscheinung. Bei einfachen Synkopen, bei denen die Krankengeschichte des Patienten keine weiteren neurologischen Symptome anzeigt, ist eine neurologische Untersuchung Teil des Diagnoseprozesses; Eine routinemäßige Bildgebung ist jedoch im Allgemeinen nicht gerechtfertigt. Dies ist auf die äußerst geringe Wahrscheinlichkeit zurückzuführen, eine Ätiologie des Zentralnervensystems zu identifizieren, und auf den minimal zu erwartenden Nutzen für den Patienten aus einem solchen Verfahren.
Eine neuroradiologische Untersuchung ist normalerweise nicht bei Patienten angezeigt, bei denen stabile Kopfschmerzen diagnostiziert werden, bei denen Migräne diagnostiziert wird. Untersuchungen legen nahe, dass das bloße Vorliegen einer Migräne das Risiko eines Patienten für eine intrakranielle Pathologie nicht erhöht. Folglich schließt eine Migränediagnose, insbesondere wenn andere besorgniserregende Anzeichen wie ein Papillenödem fehlen, im Allgemeinen die Notwendigkeit einer radiologischen Untersuchung aus. Dennoch müssen Ärzte im Rahmen einer gründlichen diagnostischen Beurteilung alternative Ursachen für die Kopfschmerzen in Betracht ziehen, die möglicherweise radiologische Untersuchungen erforderlich machen.
Techniken zur Bildgebung des Gehirns
Computertomographie des Kopfes
Die Kopf-Computertomographie (CT-Scanning) verwendet eine Folge von Röntgenprojektionen, die aus mehreren Winkeln aufgenommen werden. CT-Scans werden hauptsächlich zur schnellen Beurteilung von Hirntraumata eingesetzt und basieren auf Rechenalgorithmen, die numerische Integralberechnungen (insbesondere die inverse Radon-Transformation) auf den erfassten Röntgendaten durchführen. Dieser Prozess quantifiziert die Schwächung des Röntgenstrahls innerhalb diskreter Gehirnvolumina. Die resultierenden Daten werden üblicherweise als axiale Querschnittsbilder des Gehirns gerendert.
Magnetresonanztomographie
Die zerebrale Magnetresonanztomographie (MRT) nutzt Magnetfelder und Hochfrequenzwellen, um hochauflösende zwei- oder dreidimensionale Darstellungen des Gehirns und seiner komplexen Strukturen zu erzeugen, insbesondere ohne den Einsatz ionisierender Strahlung (Röntgenstrahlen) oder radioaktiver Tracer.
Forscher des Massachusetts General Hospital haben eine räumliche Auflösung von 100 Mikrometern für ein gesamtes intaktes postmortales Gehirn erstellt. Diese Ergebnisse wurden am 30. Oktober 2019 in Scientific Data veröffentlicht.
Positronenemissionstomographie
Positronen-Emissions-Tomographie (PET), einschließlich ihrer zerebralen Anwendung, misst die Emissionen radioaktiv markierter, stoffwechselaktiver Chemikalien, die in den Blutkreislauf gelangen. Die Computerverarbeitung dieser Emissionsdaten erzeugt zwei- oder dreidimensionale Bilder, die die chemische Verteilung im Gehirn darstellen. Positronen emittierende Radioisotope, die von einem Zyklotron erzeugt werden, werden zur Markierung von Chemikalien verwendet. Die resultierende markierte Verbindung, ein sogenannter Radiotracer, wird intravenös injiziert und gelangt anschließend ins Gehirn. Sensoren im PET-Scanner erkennen Radioaktivität, wenn sich die Verbindung in verschiedenen Gehirnregionen ansammelt. Ein Computer verarbeitet diese Sensordaten dann, um mehrfarbige zwei- oder dreidimensionale Bilder zu erstellen, die die Aktivität der Verbindung im Gehirn veranschaulichen. Besonders nützlich ist eine vielfältige Auswahl an Liganden, die zur Kartierung verschiedener Aspekte der Neurotransmitteraktivität beitragen. Fluordesoxyglucose (FDG), eine markierte Form von Glucose, stellt den am häufigsten verwendeten PET-Tracer dar.
Ein Hauptvorteil des PET-Scannens liegt in seiner Fähigkeit, verschiedene Verbindungen zur Visualisierung des Blutflusses, des Sauerstoffstoffwechsels und des Glukosestoffwechsels im aktiven Gehirngewebe zu nutzen. Diese quantifizierbaren Messungen liefern Einblicke in den Grad der neuronalen Aktivität in verschiedenen Gehirnregionen und verbessern so das Verständnis der Gehirnfunktion. Bei ihrer ersten Einführung übertrafen PET-Scans alle anderen metabolischen Bildgebungsmodalitäten sowohl hinsichtlich der Auflösung als auch der Erfassungsgeschwindigkeit, wobei einige Verfahren in nur 30 Sekunden abgeschlossen waren. Diese verbesserte Auflösung ermöglichte genauere Untersuchungen bestimmter Gehirnbereiche, die bei bestimmten Aufgaben aktiviert wurden. Umgekehrt ergibt sich eine erhebliche Einschränkung des PET-Scannens aus dem schnellen Zerfall der Radioaktivität, der seine Anwendung auf die Überwachung von Aufgaben mit kurzer Dauer beschränkt. Vor dem Aufkommen der fMRT-Technologie war das PET-Scannen die bevorzugte Methode für die funktionelle (im Gegensatz zur strukturellen) Bildgebung des Gehirns und leistet weiterhin einen wesentlichen Beitrag zur Neurowissenschaft.
PET-Scannen spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Diagnose zerebraler Pathologien, insbesondere von Hirntumoren, Epilepsie und neurodegenerativen Erkrankungen, die zu Demenz führen, wie z. B. der Alzheimer-Krankheit. Diese Krankheiten führen zu erheblichen Veränderungen im Gehirnstoffwechsel, die durch PET-Scans leicht erkennbar sind. PET erweist sich in den frühen Stadien bestimmter Demenzerkrankungen als besonders wertvoll, darunter klassische Beispiele wie Alzheimer und Pick-Krankheit. In diesen Fällen ist die anfängliche Schädigung oft zu diffus und führt zu minimalen Veränderungen des Gehirnvolumens und der groben Struktur, was es schwierig macht, mithilfe der Computertomographie (CT) oder der Standard-Magnetresonanztomographie (MRT) zuverlässig von einer altersbedingten kortikalen Atrophie (die bei vielen, aber nicht allen Menschen auftritt und nicht zu klinischer Demenz auftritt) zu unterscheiden.
FDG-PET-Scanning wird häufig bei der Beurteilung von Epilepsiepatienten eingesetzt, bei denen trotz angemessener medizinischer Therapie anhaltende Anfälle auftreten. Bei fokaler Epilepsie, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Anfälle ihren Ursprung in einer lokalisierten Hirnregion haben, bevor sie sich ausbreiten, ist die FDG-PET eine von mehreren Methoden, die eingesetzt werden, um den Bereich zu lokalisieren, der für den Beginn des Anfalls verantwortlich ist. Bezeichnenderweise weist die epileptogene Zone auch während interiktaler Perioden eine Funktionsstörung auf, was im Vergleich zu gesunden Gehirnregionen eine verringerte Glukoseaufnahme und folglich eine geringere FDG-Akkumulation zeigt. Diese diagnostischen Informationen sind von entscheidender Bedeutung für die Planung einer Epilepsieoperation als Therapieoption bei arzneimittelresistenter Epilepsie.
Zusätzliche Radiotracer wurden zur Identifizierung von Anfallsbeginnzonen untersucht, obwohl sie für die klinische Anwendung noch nicht kommerziell erhältlich sind. Dazu gehören 11C-Flumazenil, 1§23§C-Alpha-Methyl-L-Tryptophan, 11C-Methionin und 11C-Cerfentanil.
Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie
Die Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) weist Ähnlichkeiten mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) auf, bei der Gammastrahlen emittierende Radioisotope und eine Gammakamera zur Datenerfassung eingesetzt werden. Ein Computer verarbeitet diese Daten dann, um zwei- oder dreidimensionale Bilder aktiver Gehirnregionen zu erstellen. SPECT funktioniert durch die Injektion eines radioaktiven Tracers oder „SPECT-Agenten“, der schnell vom Gehirn absorbiert wird, ohne dass es anschließend zu einer Umverteilung kommt. Die Aufnahme dieses SPECT-Wirkstoffs ist innerhalb von 30 bis 60 Sekunden zu nahezu 100 % abgeschlossen und spiegelt damit den zerebralen Blutfluss (CBF) zum genauen Zeitpunkt der Injektion wider. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich SPECT besonders für die Epilepsie-Bildgebung, ein Bereich, der häufig durch Patientenbewegungen und die Vielfalt der Anfallstypen erschwert wird. SPECT erfasst effektiv eine „Momentaufnahme“ des zerebralen Blutflusses, da Scans nach Beendigung des Anfalls durchgeführt werden können, sofern der radioaktive Tracer während des Anfalls verabreicht wurde. Eine bemerkenswerte Einschränkung von SPECT ist die vergleichsweise geringe Auflösung von etwa 1 cm, insbesondere im Vergleich zur Magnetresonanztomographie (MRT). Heutige SPECT-Systeme verwenden üblicherweise Dual-Detektorköpfe, obwohl auch Triple-Detektorkopf-Maschinen im Handel erhältlich sind. Die tomographische Rekonstruktion, die hauptsächlich für funktionelle „Schnappschüsse“ des Gehirns verwendet wird, erfordert mehrere Projektionen von Detektorköpfen, die um den menschlichen Schädel rotieren. Daher haben einige Forscher SPECT-Geräte mit 6 und 11 Detektorköpfen entwickelt, um die Bildgebungszeit zu verkürzen und die Auflösung zu verbessern.
Analog zur PET kann SPECT auch verschiedene Krankheitsprozesse unterscheiden, die zu Demenz führen, und seine Anwendung für diesen Zweck nimmt zu. Insbesondere SPECT-Scans unter Verwendung von mit I-123 markiertem Isoflupan (auch als DaT-Scan bekannt) sind wertvoll für die Unterscheidung der Parkinson-Krankheit von anderen Ursachen des Tremors.
Darüber hinaus wird SPECT-Scans bei der Beurteilung arzneimittelresistenter Epilepsie eingesetzt. Diese Technik verwendet Tc99-markiertes Hexamethylpropylenaminoxim (Tc99HMPAO) oder Ethylcysteinat-Dimer (Tc99 ECD) als Radiotracer. Der Radiotracer wird dem Patienten unmittelbar nach Beginn des Anfalls intravenös injiziert, wobei der Scan innerhalb weniger Stunden nach Ende des Anfalls durchgeführt wird. Diese als iktale SPECT bezeichnete Methode beruht auf der beobachteten Zunahme des zerebralen Blutflusses (CBF) in den Anfallsbeginngebieten während des Anfallsereignisses. Im Gegensatz dazu umfasst die interiktale SPECT einen Scan, der mit denselben Tracern durchgeführt wird, jedoch während eines Zeitraums, in dem der Patient keinen Anfall erleidet. Während der interiktalen Phasen wird in den Regionen, in denen Anfälle auftreten, eine Verringerung des CBF beobachtet, obwohl diese Abnahme weniger ausgeprägt ist als der Anstieg des Blutflusses, der während eines iktalen Ereignisses beobachtet wird.
Schädel-Ultraschall
Schädelultraschall ist typischerweise Säuglingen vorbehalten, deren offene Fontanellen akustische Fenster bieten, die die Ultraschallbildgebung des Gehirns erleichtern. Zu den Vorteilen dieser Modalität gehören das Fehlen ionisierender Strahlung und die Möglichkeit des Scannens am Krankenbett. Allerdings führt die begrenzte Detailgenauigkeit des Weichgewebes oft dazu, dass die MRT bei der Diagnose bestimmter Erkrankungen bevorzugt wird.
Funktionelle Magnetresonanztomographie
Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und arterielle Spinmarkierung (ASL) nutzen die paramagnetischen Eigenschaften von sauerstoffhaltigem und sauerstofffreiem Hämoglobin, um dynamische Veränderungen im zerebralen Blutfluss im Zusammenhang mit neuronaler Aktivität sichtbar zu machen. Diese Fähigkeit ermöglicht die Erstellung von Bildern, die zeigen, welche Gehirnstrukturen in welchem Ausmaß während der Ausführung verschiedener Aufgaben oder im Ruhezustand aktiviert werden. Gemäß der Oxygenierungshypothese stehen Veränderungen im regionalen zerebralen Blutfluss und der Sauerstoffnutzung während kognitiver oder Verhaltensaktivitäten in direktem Zusammenhang mit der neuronalen Beteiligung an diesen spezifischen Aufgaben.
Die meisten fMRT-Scanner sind dazu ausgestattet, Probanden verschiedene visuelle Bilder, Hörreize und taktile Empfindungen zu präsentieren und verschiedene Aktionen wie Tastendrücke oder Joystick-Bewegungen aufzuzeichnen. Folglich dient die fMRT als leistungsstarkes Instrument zur Aufklärung von Gehirnstrukturen und -prozessen, die der Wahrnehmung, Kognition und motorischen Aktion zugrunde liegen. Die aktuelle Auflösung der fMRT beträgt etwa 2–3 Millimeter, eine Einschränkung, die durch die räumliche Ausbreitung der hämodynamischen Reaktion auf neuronale Aktivität bedingt ist. Diese Technik hat die PET zur Untersuchung von Mustern der Gehirnaktivierung weitgehend ersetzt. Dennoch behält die PET einen erheblichen Vorteil in ihrer Fähigkeit, spezifische Gehirnrezeptoren oder Transporter zu identifizieren, die mit bestimmten Neurotransmittern verbunden sind, was durch ihre Fähigkeit erreicht wird, radioaktiv markierte Rezeptor-„Liganden“ (Chemikalien, die an Rezeptoren binden) abzubilden. Darüber hinaus bestehen weiterhin erhebliche Bedenken hinsichtlich der Gültigkeit bestimmter statistischer Methoden, die in fMRT-Analysen verwendet werden, was sich folglich auf die Zuverlässigkeit der Schlussfolgerungen aus zahlreichen fMRT-Studien auswirkt.
fMRT-Techniken demonstrieren die Fähigkeit, zu identifizieren, welches spezifische Bild aus einem vordefinierten Satz ein Subjekt beobachtet, und erreichen eine Genauigkeit von 72 % bis 90 %, was den Wahrscheinlichkeitsgrad von 0,8 % deutlich übersteigt.
Die aktuelle Forschung im Bereich psychiatrisches maschinelles Lernen hat fMRT genutzt, um Modelle zu konstruieren, die in der Lage sind, zwischen Personen, die suizidales Verhalten zeigen, und solchen, die dies nicht tun, zu unterscheiden. Die Integration von Bildgebungsstudien mit maschinellen Lernalgorithmen birgt das Potenzial für die Entdeckung neuer Neuroimaging-Marker, die die Patientenstratifizierung nach Suizidrisiko erleichtern und die Entwicklung personalisierter therapeutischer Interventionen unterstützen könnten.
Diffuse optische Bildgebung
Die diffuse optische Bildgebung (DOI), auch bekannt als diffuse optische Tomographie (DOT), ist eine medizinische Bildgebungsmodalität, die Nahinfrarotlicht verwendet, um Körperbilder zu erzeugen. Diese Technik quantifiziert die optische Absorption von Hämoglobin und nutzt dabei die Variabilität des Absorptionsspektrums von Hämoglobin basierend auf seinem Sauerstoffstatus. Die diffuse optische Tomographie mit hoher Dichte (HD-DOT) wurde direkten Vergleichsstudien mit der fMRT unterzogen, insbesondere zur Beurteilung der Reaktionen auf visuelle Stimulation bei Probanden, die mit beiden Methoden untersucht wurden, und ergaben durchweg ähnliche Ergebnisse. Darüber hinaus wurde HD-DOT im Vergleich zu fMRI hinsichtlich Sprachaufgaben und funktioneller Konnektivität im Ruhezustand evaluiert.
Ereignisbezogenes optisches Signal
Das Event-Related Optical Signal (EROS) ist eine Gehirn-Scan-Methode, die über optische Fasern übertragenes Infrarotlicht nutzt, um Veränderungen in den optischen Eigenschaften aktivierter Regionen innerhalb der Großhirnrinde zu quantifizieren. Im Gegensatz zur diffusen optischen Bildgebung (DOT) und der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS), die die optische Absorption von Hämoglobin beurteilen und daher vom Blutfluss abhängig sind, nutzt EROS die intrinsischen Streueigenschaften von Neuronen und ermöglicht so eine direktere Beurteilung der Zellaktivität. EROS ist in der Lage, die Gehirnaktivität mit millimetergenauer räumlicher Präzision und einer zeitlichen Auflösung im Millisekundenbereich zu lokalisieren. Eine wesentliche Einschränkung von EROS besteht darin, dass es nicht in der Lage ist, Aktivitäten über eine Tiefe von einigen Zentimetern hinaus zu erkennen. Diese relativ neue und kostengünstige Technik ist für das Subjekt nicht invasiv und hat ihren Ursprung an der University of Illinois in Urbana-Champaign, wo sie derzeit im Cognitive Neuroimaging Laboratory von Dr. Gabriele Gratton und Dr. Monica Fabiani eingesetzt wird.
Magnetoenzephalographie
Die Magnetenzephalographie (MEG) ist eine bildgebende Methode zur Quantifizierung der durch die elektrische Aktivität des Gehirns erzeugten Magnetfelder. Dabei werden hochempfindliche Instrumente wie supraleitende Quanteninterferenzgeräte (SQUIDs) oder Spin-Exchange-Relaxationsfreie Magnetometer (SERF) eingesetzt. MEG ermöglicht eine äußerst direkte Beurteilung der neuronalen elektrischen Aktivität und bietet im Vergleich zu Techniken wie fMRT eine überlegene zeitliche Auflösung, allerdings mit vergleichsweise geringerer räumlicher Auflösung. Ein wesentlicher Vorteil der Messung magnetischer Felder aus neuronaler Aktivität besteht darin, dass sie im Gegensatz zu den durch Elektroenzephalographie (EEG) erfassten elektrischen Feldern weniger anfällig für Störungen durch umliegendes Gewebe, insbesondere Schädel und Kopfhaut, sind. Konkret zeigen theoretische Modelle, dass Magnetfelder, die aus elektrischer Aktivität entstehen, vom umgebenden Kopfgewebe unbeeinflusst bleiben, wenn der Kopf als konzentrische Kugelschalen konzipiert wird, die jeweils als isotroper, homogener Leiter fungieren. Tatsächliche menschliche Köpfe sind jedoch nicht kugelförmig und weisen erhebliche anisotrope Leitfähigkeiten auf, insbesondere in der weißen Substanz und im Schädel. Während die Schädelanisotropie im Gegensatz zum EEG einen vernachlässigbaren Einfluss auf die MEG hat, beeinflusst die Anisotropie der weißen Substanz die MEG-Messungen sowohl für radiale als auch für tiefe Quellen erheblich. Es ist wichtig anzumerken, dass die Annahme eines gleichmäßig anisotropen Schädels in einigen Studien nicht die Realität eines menschlichen Kopfes widerspiegelt, bei dem die absolute und relative Dicke der Diploë- und Tischschichten über und innerhalb der Schädelknochen variieren. Folglich wird MEG wahrscheinlich auch durch die Schädelanisotropie beeinflusst, wenn auch möglicherweise in geringerem Maße als EEG.
MEG verfügt über zahlreiche Anwendungen, wie unter anderem die Unterstützung von Chirurgen bei der pathologischen Lokalisierung, die Unterstützung von Forschern bei der Aufklärung der Funktionen verschiedener Gehirnregionen und die Erleichterung von Neurofeedback-Interventionen.
Funktionelle Ultraschallbildgebung
Funktionelle Ultraschallbildgebung (fUS) ist eine medizinische Ultraschalltechnik zur Erkennung oder Quantifizierung von Veränderungen der Nervenaktivität oder des Stoffwechsels, beispielsweise der Identifizierung von Orten der Gehirnaktivität, hauptsächlich durch Messung des Blutflusses oder hämodynamischer Veränderungen. Dieser funktionelle Ultraschallansatz nutzt hochempfindliche Doppler- und ultraschnelle Ultraschallbildgebungsfunktionen und ermöglicht eine hochempfindliche Visualisierung des Blutflusses.
Quantumoptisch gepumpte Magnetometer
Im Juni 2021 berichteten Forscher über den ersten modularen Quantengehirnscanner, der magnetische Bildgebung nutzt und möglicherweise eine neuartige Methodik für das Scannen des gesamten Gehirns bietet.
Vorteile und Überlegungen für Neuroimaging-Techniken
Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI)
Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) wird im Allgemeinen als minimal bis mäßig riskantes Verfahren eingestuft aufgrund seiner nicht-invasiven Natur im Vergleich zu alternativen Bildgebungsmodalitäten. Diese Technik nutzt den vom Blutoxygenierungsgrad abhängigen Kontrast (BOLD), um charakteristische Bilder zu erzeugen. Da der BOLD-Kontrast ein intrinsischer physiologischer Prozess ist, wird die fMRT häufig gegenüber bildgebenden Verfahren bevorzugt, die für eine vergleichbare Visualisierung radioaktive Tracer erfordern. Ein erhebliches Problem hinsichtlich der fMRT-Anwendung besteht jedoch bei Patienten mit medizinischen Implantaten, Geräten oder metallischen Fremdkörpern. Die von den Geräten erzeugten Magnetresonanzfelder (MR) können zu Fehlfunktionen medizinischer Geräte führen und Anziehungskräfte auf metallische Objekte im Körper ausüben, wenn angemessene Screening-Protokolle nicht strikt befolgt werden. Derzeit kategorisiert die Food and Drug Administration (FDA) medizinische Implantate und Geräte auf der Grundlage ihrer MR-Kompatibilität in drei verschiedene Klassen: MR-sicher (in allen MR-Umgebungen zulässig), MR-unsicher (in jeder MR-Umgebung kontraindiziert) und MR-bedingt (kompatibel unter bestimmten Umgebungsbedingungen, erfordert zusätzliche Daten).
Computertomographie (CT)-Scan
Die Computertomographie (CT) wurde in den 1970er Jahren eingeführt und entwickelte sich schnell zu einer vorherrschenden Bildgebungsmethode. CT-Scans können in weniger als einer Sekunde durchgeführt werden und liefern dem Kliniker umgehend diagnostische Informationen. Diese einfache Bedienung trug zu einem erheblichen Anstieg der in den Vereinigten Staaten durchgeführten CT-Eingriffe bei, die von 3 Millionen im Jahr 1980 auf 62 Millionen im Jahr 2007 anstiegen. In der klinischen Praxis werden häufig mehrere Scans durchgeführt, wobei eine Studie zur CT-Scan-Nutzung darauf hindeutet, dass 30 % der Personen mindestens drei Scans unterzogen wurden. Patienten, die sich CT-Scans unterziehen, können einer Strahlenbelastung ausgesetzt sein, die 100 bis 500-mal höher ist als bei herkömmlichen Röntgenaufnahmen, bei denen erhöhte Strahlendosen typischerweise mit einer verbesserten Bildauflösung einhergehen. Trotz ihrer einfachen Handhabung gibt der zunehmende Einsatz von CT-Scans, insbesondere bei asymptomatischen Patienten, aufgrund der damit verbundenen erheblichen Strahlenbelastung Anlass zu erheblicher Besorgnis.
Positronenemissionstomographie (PET)
Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Bildgebung hängt nicht von endogenen biologischen Prozessen ab; Stattdessen wird eine exogene Substanz in den Blutkreislauf injiziert, die anschließend in das Gehirn gelangt. Patienten erhalten Injektionen von Radioisotopen, die im Gehirn verstoffwechselt werden und Positronen aussenden, wodurch die Visualisierung neuronaler Aktivität ermöglicht wird. Die Strahlendosis, der ein Patient bei einer PET-Untersuchung ausgesetzt ist, ist vergleichsweise gering und entspricht in etwa der jährlichen Umweltstrahlungsbelastung eines Menschen. PET-Radioisotope weisen eine begrenzte Verweilzeit im Körper auf, besitzen typischerweise sehr kurze Halbwertszeiten (ca. 2 Stunden) und unterliegen einem schnellen Zerfall. Derzeit wird die fMRT aufgrund ihrer nichtionisierenden Natur, der überlegenen zeitlichen Auflösung und der besseren Zugänglichkeit in den meisten klinischen Umgebungen häufig der PET zur Bildgebung der Gehirnaktivität vorgezogen.
Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG)
Magnetenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) bieten eine hohe zeitliche Auflösung und ermöglichen die Messung der Gehirnaktivität mit Millisekundengenauigkeit. Weder MEG noch EEG erfordern für ihre Operation, dass der Patient ionisierender Strahlung ausgesetzt wird. EEG-Elektroden zeichnen elektrische Signale auf, die von Neuronen erzeugt werden, um die Gehirnaktivität zu beurteilen, während MEG Schwingungen in den Magnetfeldern erkennt, die von diesen neuronalen elektrischen Strömen ausgehen. Ein erhebliches Hindernis für die weitverbreitete Einführung von MEG sind die erheblichen Kosten, bei denen Systeme häufig Millionen von Dollar übersteigen. Umgekehrt ist das EEG eine deutlich verbreitetere Methode, um eine vergleichbare zeitliche Auflösung zu erreichen, da EEG-Systeme deutlich kostengünstiger sind als MEG-Systeme. Ein bemerkenswerter Nachteil sowohl des EEG als auch des MEG ist jedoch ihre vergleichsweise schlechte räumliche Auflösung im Vergleich zur fMRT.
Referenzen
Referenzen
- Der Whole Brain Atlas @ Harvard
- "Transkranielle Magnetstimulation". von Michael Leventon in Zusammenarbeit mit MIT AI Lab.
- NeuroDebian – ein komplettes Betriebssystem für Neuroimaging