Bildgebende Verfahren

Bildgebende Verfahren – oft auch Neuroimaging genannt – ermöglichen uns Einblicke in die inneren Strukturen oder Vorgänge des Gehirns, ohne tatsächlich in den Schädel eindringen zu müssen. In der Medizin werden sie bereits seit Längerem für die Diagnostik eingesetzt. Während der vergangenen zwei Jahrzehnte haben sie sich zudem als wertvolle Instrumente der Neuropsychologie erwiesen. Die am häufigsten verwandten Verfahren sind die Magnetresonanztomografie (MRT), die davon abgeleitete funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) und die Positronen-​Emissions-​Tomografie (PET).

Die verschiedenen bildgebenden Verfahren nutzen unterschiedliche physikalische Methoden: Bei der PET wird ein schwach radioaktives Kontrastmittel verabreicht, welches bei Zerfall zwei Photonen in genau entgegengesetzte Richtungen aussendet. Ein Ring von Detektoren fängt diese Photonen auf und kann dadurch exakt feststellen, wo im Gehirn der Zerfall stattgefunden hat. Da das Kontrastmittel über das Blut vor allem dorthin transportiert wird, wo ein erhöhter Stoffwechsel stattfindet – wo also besonders viel Sauerstoff benötigt wird – , erhält man bei dieser Messung eine Karte der Aktivität des Gehirns.

Im Gegensatz zur PET liefert die MRT nicht ein Bild der Gehirnaktivität, sondern seiner Struktur. Das MRT-​Gerät erzeugt hierfür ein starkes Magnetfeld, nach welchem sich Atomkerne im Kopf ausrichten. Ändert sich dieses Feld, so ändert sich auch die Ausrichtung der Kerne – und zwar je nachdem, um welche Gewebeart es sich handelt, unterschiedlich schnell oder langsam. Je stärker der Magnet, umso detailreicher werden einzelne Strukturen sichtbar ­ umso mehr steigt aber auch die Gefahr von Messartefakten, also fehlerhaften Darstellungen.

Eine fMRT nutzt dasselbe Gerät, doch es zeigt nicht die Struktur, sondern die Aktivität. Dies funktioniert dank unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Blutes. Mit Hilfe des Magneten kann man daher zielgenau feststellen, wo im Gehirn mehr oder weniger Sauerstoff verbraucht wird. Ähnlich wie PET zeigt fMRT damit eine Karte der aktuell aktiven Regionen des Gehirns. Daher das „f“ vor der MRT – es zeigen sich die Funktionen des Gehirns, denn in der Regel lösen die Probanden während der Untersuchung in der fMRT bestimmte kognitive Aufgaben.

Gemeinsam haben diese bildgebenden Verfahren, dass ohne jede Gefährdung des Patienten oder Studienteilnehmers sehr genau festgestellt werden kann, wie genau bestimmte Hirnareale geformt sind oder wo im Gehirn eine Funktion stattfindet. Dieses Wissen kann helfen, die grundlegenden Mechanismen des Gehirns zu verstehen oder neue Therapiemethoden für körperliche oder psychische Störungen zu finden.

Zum Beispiel sind Phantomschmerzen nach der Amputation eines Körperteils bereits seit frühgeschichtlicher Zeit bekannt. Allerdings war es bis vor kurzem unmöglich, Phantomgliedmaßen nachzuweisen oder die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Vergleicht man jedoch Amputationspatienten mit und ohne Phantomglied in einer fMRT-​Studie, kann man die Empfindung sichtbar machen: Die Aktivität, die zum Beispiel bei der Wahrnehmung einer Phantomhand im Gehirn entsteht – genauer: im so genannten somatosensorischen Cortex –, sieht der Wahrnehmung einer echten Hand sehr ähnlich. Für das Gehirn ist die amputierte Hand in diesem Fall quasi noch vorhanden. Bildgebende Verfahren konnten diese Empfindung also erstmals objektiv nachweisen. Das hat den Grundstein für mehrere neue Therapiemethoden gelegt.

Das MRT wird in der Neuropsychologie zudem verwendet, um Unterschiede in der Gehirnstruktur mit Unterschieden in der Persönlichkeit in Verbindung zu bringen. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass Taxifahrer in London einen vergrößerten posterioren Hippocampus besitzen – eine Region, die für räumliche Orientierung und Gedächtnis zuständig ist. Noch wichtiger: Der Hippocampus ist bei Patienten mit Posttraumatischer Belastungsstörung verkleinert – eine Erkenntnis, die ebenfalls wichtige Auswirkungen auf zukünftige Behandlungsmethoden haben könnte.

Eine fMRT eignet sich hervorragend dazu, unterschiedliche Mechanismen im Gehirn zu erkunden. Ein Beispiel: Bei der so genannten cutaneous rabbit-​Illusion nehmen Probanden eine Berührung wahr, die tatsächlich gar nicht stattfindet. In der fMRT konnte gezeigt werden, dass diese scheinbare Berührung im Gehirn verarbeitet wird – das Gehirn bildet in diesem Fall also nicht die Realität ab, sondern die illusionäre Wahrnehmung. Auch für eine wachsende Zahl anderer Wahrnehmungstäuschungen konnte eine konkrete neuronale Grundlage ermittelt werden – das hilft uns, auch andere Prozesse im Gehirn zu verstehen.

Die magnetischen Eigenschaften von sauerstoffhaltigem Blut entdeckten Wissenschaftler bereits 1936. Die MRT erfand dann 1971 Paul C. Lauterbur, und kurz darauf entwickelte Peter Mansfield Algorithmen, um die Signale in Schichten aufzuzeichnen und schnell in Bildinformation zu konvertieren. Lauterbur und Mansfield erhielten für ihre Arbeiten an der MRT 2003 gemeinsam den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Ebenfalls Anfang der 1950er Jahre entdeckten zwei Ärzte am Massachusetts General Hospital einen Hirntumor mit Hilfe einer positronenbasierten Bildgebungsmethode. Die Erfindung der PET, wie wir sie heute kennen, wurde erst 1975 publiziert – von den amerikanischen Physikern Michel Ter-​Pogossian und Michael E. Phelps.

Eine PET-​Untersuchung ist vergleichsweise teuer und bringt eine gewisse Strahlenbelastung mit sich, weswegen im Forschungsalltag der Neurowissenschaft häufiger das fMRT verwendet wird. Probleme beider Verfahren sind, dass sie neuronale Aktivierungen nur indirekt über die damit korrelierenden Stoffwechselprozesse messen und dabei weit langsamer arbeiten als das Gehirn, das sie untersuchen. Neuronale Prozesse spielen sich im Millisekundenbereich ab, aber das fMRT braucht mehrere Sekunden für jede einzelne Aufnahme des Gehirns, aus denen dann ein gesammeltes Bild entsteht. Schnellere Methoden, neuronale Aktivität zu messen, sind die aus der Medizin bekannte Elektroenzephalographie (EEG) und die verwandte Magnetenzephalographie (MEG); ein Nachteil dieser zeitlich sehr gut auflösenden Verfahren ist aber eine schlechtere räumliche Lokalisation der Prozesse im Gehirn.

Es gibt auch die Möglichkeit einer simultanen EEG-​fMRT-​Messung: Im selben Versuch werden neuronale Vorgänge sowohl zeitlich als auch räumlich genau erfasst. Da jedoch beide Instrumente die Messung des anderen beeinflussen können, und da jedes weitere Messinstrument den Probanden weiter einengt, wird diese Kombination nur für Fragestellungen eingesetzt, für die sie besonders wertvoll ist – etwa die Untersuchung bestimmter Formen der Epilepsie, bei denen für die Behandlung wichtig ist, sowohl den genauen Ort als auch den genauen zeitliche Verlauf der Anfälle zu kennen.

Bildgebende Verfahren befinden sich in einer ständigen Weiterentwicklung: Die MRT-​Bilder von heute sind kaum mehr vergleichbar mit denen von vor 15 oder 20 Jahren. Abgesehen von dem technischen Fortschritt, der auch in anderen Bereichen stattfindet, tun sich auch bislang unbekannte neue Anwendungsgebiete auf: In einer Resting-​State-​fMRT-​Studie zum Beispiel werden Muster in der Hirnaktivität untersucht, während sich das Gehirn sozusagen im Ruhezustand befindet – so können Mechanismen hinter manchen chronischen Störungen verstanden werden. Auch in der Zukunft werden die bildgebenden Verfahren helfen zu verstehen, wie aus einem Zusammenspiel unterschiedlicher Nervenzellen unsere Gedanken und Gefühle entstehen.

zum Weiterlesen:

• Diers M, et al: Mirrored, imagined and executed movements differentially activate sensorimotor cortex in amputees with and without phantom limb pain. Pain. 2010 May; 149(2):296 – 304. (Abstract)
• Maguire EA, et al: Navigation-​related structural change in the hippocampi of taxi drivers. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000 Apr 11;97(8):4398 – 403. (Abstract)
• Bremner JD, et al. MRI-​based measurement of hippocampal volume in patients with combat-​related posttraumatic stress disorder. Am J Psychiatry. 1995 Jul;152(7):973 – 81. (Abstract)
• Blankenburg F, et al. The cutaneous rabbit illusion affects human primary sensory cortex somatotopically. PLoS Biol. 2006 Mar;4(3):e69. Epub 2006 Feb 28. (Volltext)
• Ward, Jamie: The Student´s Guide to Cognitive Neuroscience (3^rd edition). Hove, Sussex: Psychology Press (2015).