Magnetresonanztomographie
Magnetresonanztomographie und Magnetresonanzspektroskopie
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein modernes bildgebendes Verfahren, das heute aus der medizinischen Diagnostik und biomedizinischen Forschung kaum noch wegzudenken ist. Die MRT liefert uns hochaufgelöste, kontrastreiche Bilder vom Inneren des intakten lebenden Organismus, ohne diesen in irgendeiner Weise zu verletzen oder in anderer Weise zu schädigen. Dabei kommt dieses Verfahren im Gegensatz zur Röntgentechnik ohne ionisierende Strahlung aus und ist daher für den Körper völlig ungefährlich.
Neben hochaufgelösten anatomischen Bildern liefert die MRT aber auch wichtige Informationen über die Funktion und den Stoffwechsel einzelner Organe. So können wir mit der MRT zum Beispiel die Blutversorgung darstellen oder indirekt über die Änderung der lokalen Sauerstoffkonzentration die Aktivität einzelner Hirnregionen und deren Zusammenspiel untersuchen. Mittels der lokalisierten Magnetresonanzspektroskopie können zudem wichtige Stoffwechselprodukte wie zum Beispiel Zucker und Milchsäure sowie wichtige Botenstoffe des Gehirns wie Glutamat und Gamma-Aminobuttersäure (GABA) bestimmt werden, ohne dass dafür eine Blut- oder Gewebeprobe entnommen werden muss. Alle diese Untersuchungen können in fast identischer Weise beim gesunden oder kranken Menschen und beim gesunden oder kranken Tier durchgeführt werden, was in besonders guter Weise Spezies-übergreifende Vergleiche ermöglicht.
Magnetresonanztomographie am DPZ
Seit April 2015 gibt es auf dem Gelände des DPZ ein Bildgebungszentrum, das zwei Magnetresonanztomographen, ein Herzkatheterlabor sowie Büros und Tierhaltungseinrichtungen beherbergt. Die Geräte werden hauptsächlich für die neurowissenschaftliche Forschung des DPZ eingesetzt und sorgen damit für eine optimale Erweiterung des Methodenspektrums. Zusammen mit der Universität Göttingen wurde ab Juli 2015 eine eigene Abteilung für funktionelle Bildgebung eingerichtet, deren Leitung Susann Boretius, ehemals Professorin für Biomedizinische Bildgebung an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, übernommen hat. Bei den MRT-Geräten handelt es sich um einen 3-Tesla-Scanner für größere, nicht-menschliche Primaten und menschliche Probanden sowie um einen 9,4-Tesla-Scanner für kleine Primaten und Nager.
Mit beiden Geräten sind somit Vergleiche zwischen verschiedenen Arten möglich. Nach ihrer Inbetriebnahme sollen die Geräte nicht nur von den Forschern des DPZ genutzt werden, sondern auch den Wissenschaftlern anderer Forschungseinrichtungen des Göttingen Campus zur Verfügung stehen. So sind beispielsweise bereits Kooperationen mit dem Deutschen Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung und dem Deutschen Zentrum für neurodegenerative Erkrankungen geplant. Im Rahmen der DPZ-Führungen können die Magnetresonanztomographen künftig auch von Besuchern besichtigt werden.
Prinzip der MRT-Messung
Die Magnetresonanztechnik nutzt die Eigenschaft einiger Atomkerne, sich in starken Magnetfeldern auszurichten. Besonders geeignet sind hierfür Wasserstoffkerne (Protonen), da diese in sehr hoher Zahl und Dichte in allen lebenden Organismen vorkommen. Durch das Einstrahlen von Radiowellen wird die Ausrichtung der Kerne verändert. Sie gehen in einen höheren Energiezustand über. Schaltet man das Radiosignal wieder ab, gehen die Atomkerne in den energieärmeren Grundzustand zurück. Diesen Vorgang nennt man Relaxation. Wie schnell diese Relaxation abläuft, hängt sehr stark von der jeweiligen lokalen chemischen Umgebung der Kerne ab. Diese Tatsache erlaubt die Unterscheidung einzelner Gewebestrukturen und wird in der MRT zur Erzeugung kontrastreicher Bilder vom Inneren lebender Organismen ausgenutzt. Dazu wird mittels sehr empfindlicher Antennen die von den Kernen erzeugte Magnetisierung gemessen und mit Hilfe von rechenstarken Computern in Bilder umgerechnet. Durch die schnelle Wiederholung dieses Vorgehens lässt sich auch die Funktionsweise einzelner Organe im Zeitverlauf untersuchen, zum Beispiel das Schlagen des Herzens oder die Funktion der Niere bei der Ausscheidung von Substanzen aus dem Körper.
Neben der Konzentration der Wasserstoffkerne und deren unterschiedlichen Relaxationszeiten lassen sich weitere Eigenschaften des Gewebes ausnutzen, um so nicht nur die anatomische Struktur, sondern auch chemische Zusammensetzung und Funktion zu analysieren. So kann z.B. aus der Diffusion der Wassermoleküle auf den Verlauf von Nervenfasern geschlossen werden (diffusionsbasierte Bildgebung). Und der Austausch von Magnetisierung zwischen Molekülen (Magnetisierungstransfer Techniken) kann sowohl zum Nachweis von Makromolekülen (z.B. des Myelin der Nervenfasern) als auch zum Nachweis von kleineren Molekülen (z.B. Amine oder Amide) genutzt werden. Aktuelle Entwicklungen im Bereich der MR-tauglichen Kontrastmittel werden zudem viele weitere neuartige Einblicke in die molekularen Prozesse des intakten Organismus ermöglichen.
Magnetresonanztomographen
Kernstück eines Magnetresonanztopographen ist sein sehr starkes statisches Magnetfeld. Um hohe Magnetfeldstärken zu erreichen, nutzen moderne Kernspintomographen supraleitende Elektromagnete. Durch die Absenkung der Temperatur auf -269 Grad Celsius mittels flüssigen Heliums kann der Strom in den Leiterwicklungen der Spule ohne einen elektrischen Widerstand fließen. Mit diesen Systemen können Magnetfelder erzeugt werden, die mehr als 100.000-mal so stark wie das Magnetfeld unserer Erde sind. Mit dem Magnetfeld steigt auch die Empfindlichkeit der Methode. Je stärker das statische Magnetfeld, desto stärker ist die Magnetisierung durch die sich ausrichtenden Atomkerne, wodurch sich die räumliche und zeitliche Auflösung der Messung verbessern lässt. Damit ist heute eine Auflösung bzw. Detailgenauigkeit der Bilder lebender Organismen möglich, die in früheren Jahren nur mittels mikroskopischer Untersuchung möglich war.
Um das gemessene Signal einem bestimmten Ort zuordnen zu können, also dreidimensionale Bilder vom Körper zu erzeugen, werden zusätzlich zum statischen Magnetfeld kleinere Magnetfelder in den drei Raumebenen (x,y,z) durch sogenannte Gradientenspulen erzeugt. Diese müssen mehrfach sehr schnell an und ausgeschaltet werden. Dadurch entsteht das typische hämmernde Geräusch während einer MRT-Messung.
Sicherheit
Obwohl die Messung selbst für den Organismus ungefährlich ist, können aufgrund der starken Anziehungskraft des Magneten eisenhaltige Gegenstände, die in die Nähe des Tomographen gelangen, zu gefährlichen Geschossen werden. Uhren, Handys, und Kreditkarten sind in der Nähe eines Magnetresonanztomographen ebenfalls tabu, da sie stark beschädigt werden können. Elektronische Geräte im Körper wie Herzschrittmacher oder Insulinpumpen können durch das Magnetfeld ebenfalls Schaden nehmen. Selbst metallhaltige Tätowierfarben oder Kosmetika können während der Untersuchung im MR-Tomographen zum Teil erhebliche Fehler in der Bildgebung verursachen. Das Betreten der Räumlichkeiten ist deshalb erst nach entsprechender Einweisung bzw. nur unter Anleitung durch das Fachpersonal gestattet.
Funktionelle Magnetresonanztomographie
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) macht sich die grundlegende Methode der MRT zunutze, um physiologische Funktionen in bestimmten Körperorganen darzustellen. Beispiele aus der medizinischen Praxis sind die dynamische Herz-MRT oder die Messung der Blutversorgung von Geweben. Das erfolgreichste Anwendungsgebiet für funktionelle Magnetresonanztomographie liegt jedoch in der räumlichen Darstellung von Hirnaktivitäten. Durch Einsatz von fMRT ist es möglich, Durchblutungsänderungen von Hirnarealen sichtbar zu machen. Diese Änderungen sind auf erhöhte Stoffwechselleistungen zurückzuführen, die mit einer gesteigerten Aktivität der Nervenzellen des Gehirns im Zusammenhang stehen. Wenn wir zum Beispiel an etwas denken, einen Gegenstand betrachten oder eine bestimmte Aufgabe lösen, verursacht dieser Reiz an einer bestimmten Stelle im Gehirn einen neuronalen Impuls. Für die Weiterleitung dieses neuronalen Signals durch die Nervenzellen wird Energie benötigt, die sich in einer Erhöhung des Stoffwechsels und damit einer gesteigerten Blutzufuhr und Sauerstoffversorgung an dieser Stelle des Gehirns wiederspiegelt. Für erhöhte Stoffwechselleistungen wird mehr Sauerstoff im Blut benötigt. Dieses Prinzip nutzt die fMRT indem sie den unterschiedlichen Sauerstoffgehalt der roten Blutkörperchen mit dem sogenannten BOLD (blood oxygen level dependent)-Effekt sichtbar macht. Sauerstoffreiches Blut besitzt eine andere Relaxationszeit als sauerstoffarmes und erzeugt damit ein anderes MRT-Signal. Ein stark erhöhter Sauerstoffgehalt im Blut steht also für aktive Nervenzellen (in der Abbildung je nach Stärke des Effektes rot (schwache Aktivität) bis gelb (sehr hohe Aktivität) dargestellt.
Funktionelle Magnetresonanztomographie in der Hirnforschung
Der Einsatz von fMRT gestattet Neurowissenschaftlern die Darstellung von Hirnaktivitäten mit hoher räumlicher Auflösung. Zu Versuchszwecken werden dabei Aufnahmen des Gehirns im Ruhezustand und im stimulierten Zustand direkt miteinander verglichen. Der Stimulus ist dabei häufig an eine Aufgabe geknüpft, die dem Probanden wiederholt präsentiert wird. Durch fMRT-Aufnahmen können so die Bereiche des Gehirns sichtbar gemacht werden, die für die Bearbeitung der Aufgabe wichtig sind. Die Erfassung der stoffwechselaktiven Bereiche des Gehirns ermöglicht so die Zuordnung und Lokalisierung kognitiver Funktionen und Prozesse im Gehirn, wie zum Beispiel solcher Areale, die für bestimmte Leistungen wie Sprache oder Motorik wichtig sind. Neben dem neurophysiologischen Informationsgewinn sind diese Erkenntnisse auch für die medizinische Praxis von entscheidender Bedeutung. So muss beispielsweise bei der Entfernung von Gehirntumoren darauf geachtet werden, dass die essentiellen Bereiche des Gehirns, wie zum Beispiel das Sprachzentrum, nicht verletzt werden. Auch Neurologie und Neuropsychologie profitieren vom Einsatz der fMRT. Menschen, die an psychischen Störungen wie Depressionen, Angst- oder Zwangsstörungen leiden, weisen im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen deutliche Unterschiede im Hirnstoffwechsel auf. Durch fMRT können die betroffenen Hirnregionen identifiziert werden.
Magnetresonanztomographie an Primaten
Die MRT-Messungen am DPZ werden vorrangig mit Rhesusaffen durchgeführt. Im Fokus stehen dabei Untersuchungen zu den Grundlagen kognitiver Leistungen des Primatengehirns. Um hochauflösende Aufnahmen des Gehirns zu erhalten und Kartierungen bestimmter Hirnregionen vornehmen zu können, werden die Tiere meist in narkotisiertem Zustand untersucht (MRT). Für die visuelle Darstellung bestimmter Gehirnaktivitäten ist es jedoch wichtig, dass die Tiere im Wachzustand sind (funktionelle MRT). Rhesusaffen, die an neurowissenschaftlichen Versuchen im MRT teilnehmen, werden deshalb zuvor mehrere Monate trainiert. Während dieser Zeit werden sie langsam an die Umgebung und die lauten Geräusche im MRT-Scanner gewöhnt. Um die Areale des Gehirns zu lokalisieren, die für bestimmte kognitive Fähigkeiten wichtig sind, lösen die Tiere genau wie menschliche Probanden bestimmte Aufgaben während der MRT-Messungen. Auf Touchscreens werden den Affen dabei in regelmäßigen Abständen Symbole präsentiert, die sie in einer bestimmten Art und Weise erfassen und drücken müssen. Während sie die Aufgaben lösen, wird ihre Gehirnaktivität gemessen.
Möglichkeiten und Grenzen der funktionellen Magnetresonanztomographie in der Hirnforschung
Die Vorteile des Einsatzes der funktionellen Magnetresonanztomographie in der Hirnforschung sind klar in ihrem nicht-invasiven Charakter begründet. Darüber hinaus wird der Körper nicht durch schädliche Strahlung oder Radioaktivität belastet. Die kontrastreiche Bildgebung erlaubt die hochauflösende und räumliche Darstellung vernetzter Hirnareale, die an bestimmten kognitiven Prozessen beteiligt sind. Ein Nachteil der fMRT ist jedoch, dass im Gehirn nur ein „Ersatzsignal“ gemessen werden kann. Anstelle von gezielter Nervenzellaktivität werden lediglich Durchblutungsänderungen in bestimmten Hirnregionen erfasst. Zudem können mit dieser Methode keine Signale einzelner Nervenzellen abgeleitet werden. Sie dient eher der Erfassung neuronaler Massenaktivität. Um Aussagen über die Funktionalität individueller Nervenzellen treffen zu können, kann daher auf invasive elektrophysiologische Methoden, wie Einzelzellableitungen, nicht verzichtet werden. Nervenzellen kommunizieren über veränderte Ionenflüsse, die direkt als elektrische Impulse an der Zelle erfasst werden können. Dazu werden Mikroelektroden in den extrazellulären Raum eingeführt und die Signale einzelner und angrenzender Zellen gemessen. Nervenzellareale können so sehr genau lokalisiert und an bestimmten Prozessen beteiligte Neurone identifiziert werden. Dieser direkte Zugriff ist mit fMRT nicht möglich. Ein großer Nachteil der Einzelzellableitungen ist jedoch ihr invasiver Charakter. Sie ist dadurch sehr viel aufwendiger als fMRT und schwerer zu replizieren. Darüber hinaus können mit dieser Methode nur wenig Aussagen über die Dynamik des neuronalen Netzwerkes gezogen werden. Um das Gehirn in seiner ganzen Komplexität und Leistungsfähigkeit erforschen zu können, müssen verschiedene Methoden und Herangehensweisen kombiniert werden. Die funktionelle Magnetresonanztomographie stellt deshalb keinen vollständigen Ersatz zu invasiven Untersuchungsmethoden wie Einzelzellableitungen dar, kann diese jedoch sinnvoll ergänzen.
Abteilung Funktionelle Bildgebung
Abteilung Kognitive Neurowissenschaften
Arbeitsgruppe Decision and Awareness
Abteilung Neurobiologie
MRT-Aufnahmen
MRT-Aufnahme eines Rhesusaffengehirns
Frontale MRT-Aufnahme des Gehirns eines Rhesusaffen (Koronalebene). Video: Prof. Dr. Jens Frahm, Biomedizinische NMR Forschungs GmbH, Göttingen
Echtzeit-MRT eines schlagenden Herzens
Echtzeit-MRT-Aufnahme eines schlagenden Herzens. Video: Prof. Dr. Jens Frahm, Biomedizinische Forschungs GmbH, Göttingen
fMRT-Aufnahme eines Gehirns
Horizontale funktionelle MRT-Aufnahme eines Gehirns (Transversalebene). Die farbigen Bereiche kennzeichnen erhöhte Hirnaktivität, die durch den BOLD-Effekt sichtbar gemacht werden. Video: Prof. Dr. Jens Frahm, Biomedizinische NMR Forschung GmbH, Göttingen