Magnetresonanztomographie

Die Magnetresonanztomographie (MRT) bezeichnet ein bildgebendes Verfahren zur strukturellen Darstellung von inneren Körperstrukturen. Dazu werden Schnittbil­der erzeugt, die Körpergewebe und nichtknöcher­ne Strukturen sehr detailliert sichtbar machen. Die Grundlage dieses Verfahrens sind Wasserstoff­atome, die im menschlichen Körper ungeordnet vorkommen. Wird ein starkes Magnetfeld angelegt, werden die Atomkerne der Wasserstoffatome in eine bestimmte Richtung gelenkt. Durch das Aussenden von Radiowellen werden die Protonen aus dieser Position gebracht. Werden die Radiowellen ausgeschalten, schlagen die Protonen in die Richtung zurück, die ihnen vom Magnetfeld vorgegeben wurde. Dabei senden sie Signale aus, die von Computern registriert und verrechnet werden. Die Zeit, die die Wasserstoffprotonen dazu benötigen (Relaxationszeit), hängt vom sie umgebenden Gewebe ab. Deshalb erhält der Computer verschiedene Signale in Abhängigkeit von der Art des Gewebes. Die diffusionsgewichtete Magnetresonanz-Tomografie (DW-MRI) ist somit ein bildgebendes Verfahren, das die Diffusionsbewegung von Wasser in Körpergeweben misst. Es wird vor allem zur Untersuchung des Gehirns verwendet, da man aufgrund der Diffusion von Wassermolekülen auf den Verlauf von Nervenfaserbündeln schließen kann. So kann im Gehirn z. B. graue von weißer Substanz unterschieden werden. Die Magnetresonanztomographie liefert eine sehr genaue und differenzierte Darstellung sämtlicher Körpergewebe, besonders aber nichtknöcherner Strukturen wie Weich­teile, Gelenke und Gehirn. Sie zeichnet sich durch eine hohe räumliche Auflösung aus. Einige neuronale Erkrankungen wie Multiple Sklerose und Epilepsie lassen sich so nachweisen.

Die funktionale Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine Technik, mit der die Aktivierung bestimmter Teile des Gehirns durch spezifische Tätigkeiten oder Empfindungen bestimmt werden kann. Diese Bereiche können deshalb durch die fMRT abgebildet werden, da innerhalb der aktivierten Bereiche das Blut (genauer das Hämoglobin) mehr Sauerstoff transportiert (oxygeniert). Somit erhält man ein stärkeres Signal von den aktivierten Hirn­regionen. Mittels funktionaler Magnetresonanztomographie können sowohl primäre sensorische und motorische Aktivität, als auch höhe­re kognitive Funktionen wie z. B. die Sprache untersucht werden. Zunächst wird von der Person ein hochauflösender struktureller Scan gemacht, der als Hintergrund für die folgenden Scans benötigt wird. Anschließend werden der Person Reize dargeboten oder Aufgaben gestellt. Das Bild im Ruhezustand wird mit den Bildern in Aktivität übereinander gelegt, um die aktivierten Hirnareale sichtbar zu machen.

Bei Magnetresonanztomografie wird häufig mit Kontrastmitteln gearbeitet, die sich nach neuesten Erkenntnissen im Gehirn ablagern können. Kontrastmittel verändern den Gewebekontrast und dienen dazu, krankhafte Veränderungen deutlicher oder überhaupt erst darzustellen. Die MR-Kontrastmittel sind zwar meist sehr gut verträglich und werden in der Regel innerhalb weniger Stunden mit dem Urin ausgeschieden. Die amerikanische Ärztebehörde Food and Drug Administration hat aber nun in Bezug auf ein spezielles Kontrastmittel festgestellt, dass sich bestimmte Bestandteile des Kontrastmittels sich im Gehirn ablagern. Zwar ist noch unklar, ob die Ablagerungen schädlich sind, doch das in einem Gehirn gefundene Gadolinium kann toxisch sein, wenn es als freies Radikal im Körper auftritt, denn es wirkt vor allem auf die Blutgerinnung und auch auf die Herzmuskulatur. Man rät daher dazu, nur in dringenden Fällen ein Kontrast-MRT durchführen zu lassen, wobei vor allem von Mehrfachuntersuchungen abgeraten wird, denn das Risiko steigt mit der Zahl der Untersuchungen.

Softwarefehler bei der Berechnung von Gehirnaktivitäten?

Medizininformatiker haben 2016 einen Fehler in der Software entdeckt, mit der Magnetresonanztomographie-Aufnahmen analysiert werden, indem sie vorhandenes Datenmaterial nachanalysierten und dabei festgestellt haben, dass die gängigsten Programme viele falsche Positive generiert haben, also Aktivitäten im Gehirn festgestellt hatten, wo gar keine waren. Um die Fehlerquote der drei gängigen verwendeten Software-Pakete zu überprüfen, werteten  Eklund et al. (2016) die MRT-Daten von 499 gesunden Kontrollpersonen im Ruhezustand aus, wonach sie aus diesem Pool per Zufall zwei Kontrollgruppe generierten und diese miteinander verglichen. Dabei haben die verwendeten Programme bis zu 70 Prozent falsche Positive festgestellt, also Ereignisse erkannt, wo keine stattfanden. Bei der Überprüfung der statistischen Methoden griffen die Wissenschaftler auf offene Daten aus der neurowissenschaftliche Community zurück.
Bekanntlich wir bei einer Magnetresonanztomographie nicht einfach ein Bild des Gehirns aufgenommen, sondern um von einer Aufnahme Rückschlüsse auf das zu ziehen, was in einem Gehirn vor sich geht, müssen die Daten zuerst interpretiert werden, was in der Regel eine Software übernimmt. Das Gehirn wird dabei in Voxels (Bildpunkte) eingeteilt, der dreidimensionalen Entsprechung eines Pixels, wonach diese Voxels von einer Statistiksoftware zu einem Gesamtbild verarbeitet werden. Wenn Hirnforscher ihre Erkenntnisse vorstellen, dann berufen sie sich auf solche Bilder, die ihre Analyse-Software geliefert hat. Allerdings dürften wichtige Programme, die bei dieser Analyse eingesetzt worden sind, seit 20 Jahren falsche Ergebnisse liefern.

Kuriosum

Übrigens hat der italienische Universalgelehrte Angelo Mosso schon vor vor über hundert Jahren eine Wippe entwickelt, mit der er den Zusammenhang zwischen Blutfluss und Gehirnaktivität nachweisen wollte. Mosso vermutete, dass mit steigender Aktivität im Gehirn dort auch mehr Blut gebraucht wird. Die Untersuchten mussten sich auf eine Platte legen, die auf einem schmalen Mittelstück ausbalanciert wurde, und anschließend ließ er seine Probanden etwas lesen und beobachtete, in welche Richtung die Platte kippte. Damit zufällige Bewegungen oder die Atmung der Probanden die Messungen nicht verzerren, wurden die Patienten festgebunden und ihre Atmung aufgezeichnet und herausgerechnet.

mosso-wippe

Anwendungsbeispiele

Quellen

Eklund, A., Nichols, T. E. & Knutsson, A. (2016). Cluster failure: Why fMRI inferences for spatial extent have inflated false-positive rates. PNAS, doi: 10.1073/pnas.1602413113.
http://www.biologische-psychologie.de/entries/1407 (11-11-21)
http://www.biologische-psychologie.de/entries/1408 (11-11-21)
http://brain.oxfordjournals.org/content/early/2013/05/17/brain.awt091/F3.large.jpg (14-09-10)





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