Max-Planck-Forschungsgruppe MR-Physik
Die Max-Planck-Forschungsgruppe MR-Physik entwickelt, implementiert, optimiert und validiert Methoden der Magnetresonanztomographie (MRT) für die neurowissenschaftliche Forschung. Die Arbeit der Gruppe verbindet MR-physikalische und technische Entwicklungsarbeit mit der Betreuung der MRT-Infrastruktur des Instituts und der Organisation der Abläufe im MRT-Labor. Ein besonderer Fokus liegt auf Messverfahren, die ein günstiges Verhältnis von nutzbarem Signal zu Bildrauschen bei einer hohen räumlichen Auflösung erreichen und reproduzierbare MRT-abgeleitete Messgrößen ermöglichen.
Die Magnetresonanztomographie ermöglicht es, das menschliche Gehirn nichtinvasiv auf verschiedenen Ebenen zu untersuchen – von großskaligen funktionellen Netzwerken über Anatomie und Mikrostruktur bis hin zu quantitativen Gewebeeigenschaften. Entsprechend umfasst die methodische Arbeit der Gruppe funktionelle MRT, strukturelle und quantitative MRT sowie fortgeschrittene Verfahren der Diffusions-MRT.
Ein wichtiges Ziel ist es, auch subtile neurobiologisch relevante Unterschiede und Veränderungen in MRT-abgeleiteten Messgrößen trotz Kopfbewegungen, Bildverzerrungen, Feldinhomogenitäten und anderer Quellen technischer Variabilität zuverlässig messbar zu machen. Ein Schwerpunkt ist daher die systematische Charakterisierung der Messqualität. Mitglieder der Forschungsgruppe untersuchen die Präzision und Reproduzierbarkeit MRT-abgeleiteter Messgrößen und analysieren, wie diese von technischen Bedingungen wie Scanner-Setup, Shimming und Messparametern sowie von teilnehmerbezogenen Faktoren wie dem physiologischen Zustand und dessen tageszeitlichen Schwankungen abhängen. Dies ist besonders wichtig für längschnittliche Studien, für Vergleiche zwischen Studiengruppen und für Messungen mit unterschiedlichen Scannern.
Zur MRT-Infrastruktur am MPIB gehören derzeit ein seit langem genutztes 3-Tesla-System und ein neues mobiles 1,5-Tesla-Gerät. Da das bestehende 3-Tesla-System in absehbarer Zeit durch ein System der neuesten Generation ersetzt und die Infrastruktur durch einen neuen 7-Tesla-Scanner ergänzt werden soll, erweitert die Gruppe ihre Arbeiten auch in Richtung von Vergleichen zwischen unterschiedlichen Feldstärken sowie der Weiterentwicklung quantitativer und hochauflösender MRT-Methoden.
Die Forschungsgruppe MR-Physik arbeitet mit Forschungsbereichen und Forschungsgruppen des Instituts zusammen, um MRT-basierte Ansätze für neurowissenschaftliche Fragestellungen weiterzuentwickeln. Zu diesen Kooperationen gehören der Forschungsbereich Entwicklungspsychologie (LIP), der Forschungsbereich Umweltneurowissenschaften (CEN) sowie zwei Forschungsgruppen – eine mit dem Schwerpunkt episodisches Gedächtnis und Neuroentwicklung im Kindesalter, die andere mit dem Schwerpunkt Neuroplastizität in Entwicklung und Lernen. In diesen Kooperationen tragen MRT-Methoden zur Untersuchung der Frage bei, wie sich das Gehirn über die Lebensspanne verändert, wie es auf Lernen und Interventionen reagiert und wie Hirnfunktion und Hirnstruktur durch alltägliche Umweltbedingungen geprägt werden.
Darüber hinaus leistet die Gruppe praxisnahe Unterstützung für Studien und Studienteams, etwa bei der Entwicklung und Optimierung geeigneter Messprotokolle, bei der Qualitätssicherung, bei technischen Problemen an den MRT-Geräten sowie bei der Auswahl einzelner Messsequenzen, deren Parametereinstellungen und geeigneter Preprocessing-Strategien für die Bilddaten.
Ausgewählte methodische Schwerpunkte
Die funktionelle MRT ermöglicht es, zu untersuchen, wie über das Gehirn verteilte funktionelle Netzwerke Wahrnehmung, Kognition und Verhalten unterstützen. Für die Untersuchung der funktionellen Organisation des Gehirns sind diese Messungen sehr aufschlussreich, zugleich aber empfindlich gegenüber Kopfbewegungen, physiologischen Schwankungen und suszeptibilitätsbedingten Signalverlusten. In diesem Zusammenhang haben wir den Einsatz fortgeschrittener EPI-basierter Messverfahren wie der Multi-Echo-Bildgebung erprobt. Multi-Echo-EPI kann die BOLD-Sensitivität erhöhen, suszeptibilitätsbedingte Signalverluste reduzieren und helfen, neuronale Signalanteile in der Auswertung besser von nicht-neuronalen Schwankungen zu trennen.
Quantitative MRT-Verfahren wie T1-Mapping und Multiparameter-Mapping (MPM) liefern quantitative Messgrößen und Karten, welche die zugrunde liegenden Gewebeeigenschaften besser widerspiegeln können als konventionelle anatomische Bildgebung. Dafür müssen die physikalischen Faktoren, die das gemessene Signal beeinflussen, sorgfältig kontrolliert werden. Ein wichtiger Faktor ist das Transmit-Radiofrequenzfeld (B1+), das über das Gehirn hinweg deutlich variieren kann. Solche Variationen können zu einem räumlich variierenden Signalbias führen und dadurch quantitative Messungen beeinflussen. Aus diesem Grund wird B1+-Mapping routinemäßig in quantitative MRT-Protokolle integriert, unter anderem bei MP2RAGE-basiertem T1-Mapping und MPM.
Am MPIB entwickeln wir eine spezielle phasenbasierte B1+-Mapping-Methode weiter, die auf sogenannten composite RF pulses basiert und sich mit geringfügigen Anpassungen für verschiedene Anwendungen einsetzen lässt, einschließlich der Bildgebung bei Säuglingen. Die Methode liefert innerhalb kurzer Messzeit informative Ganzhirn-B1+-Karten und hält die Messung weitgehend unabhängig vom anatomischen Bildkontrast. Diese Karten werden für die Korrektur eines räumlich variierenden Signalbias in quantitativen MRT-Messungen verwendet. Das ist besonders wichtig, wenn kleine Unterschiede in MRT-abgeleiteten Messgrößen untersucht werden sollen – etwa zwischen Altersgruppen, zwischen Interventions- und Kontrollgruppen oder zwischen wiederholten Messzeitpunkten in longitudinalen Studiendesigns.
Abbildung 1:
Links: Eine sagittale Schicht nahe der Mitte des Gehirns aus einer bei 3 T mit MP2RAGE aufgenommenen T1-Karte. Mitte: Zugehörige B1+-Karte, aufgenommen mit unserer phasenbasierten Methode. Rechts: T1-Karte nach Korrektur mit der im mittleren Bild gezeigten B1+-Karte. Entsprechend der Beziehung zwischen MP2RAGE-Signalamplitude und T1 (J.P. Marques et al., NeuroImage 2010) führt die Korrektur in Bereichen mit B1+ > 1 zu höheren geschätzten T1, während sie in Bereichen mit B1+ < 1 zu niedrigeren geschätzten T1-Werten führ. Dieser Effekt ist bei längeren T1-Werten stärker ausgeprägt, wie sie etwa in der Hirn- und Rückenmarksflüssigkeit (Liquor) auftreten. Entsprechend erscheinen in der korrigierten T1-Karte zentrale Liquorbereiche heller, während der Liquor in den peripheren Bereichen des Gehirns niedrigere T1-Werte aufweist.
Die Untersuchung des Locus coeruleus stellt besondere Anforderungen an die MRT-Bildgebung, weil dieser kleine Hirnstammkern aufgrund des begrenzten Gewebekontrasts und seiner Nähe zum Liquor mit Standardprotokollen nur schwer abgrenzbar ist. In Zusammenarbeit mit dem LINE Projekt bringt die MR-Physik-Forschungsgruppe methodische Expertise in die MRT des Locus coeruleus ein, der für die Aktivierung des sympathischen Nervensystems, höhergeordnete kognitive Funktionen und für die Forschung zu vagusnervbezogener Neuromodulation von großer Bedeutung ist. Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Optimierung des strukturellen Kontrasts für eine verlässliche Darstellung des Locus coeruleus, auf den Einsatz von Multi-Echo-EPI für die funktionelle MRT in dieser Region sowie auf die Anpassung des Multiparameter-Mappings an die Locus-coeruleus-Region. Aussagekräftige Messungen setzen dabei sorgfältig optimierte Messparameter voraus, welche die räumliche Auflösung und das Verhältnis von nutzbarem Signal zu Bildrauschen ausbalancieren und zugleich die Fehlerfortpflanzung in abgeleiteten quantitativen Karten möglichst gering halten.
Mobile MRT eröffnet neue Möglichkeiten, das Gehirn in alltagsnäheren Umgebungen zu untersuchen und Personengruppen zu erreichen, die in konventionellen Bildgebungseinrichtungen nur schwer untersucht werden können. Gleichzeitig wirft sie grundlegende methodische Fragen auf: Wie stabil bleiben Messungen nach einem Standortwechsel? Welche technischen und umgebungsbezogenen Faktoren beeinflussen die Bildqualität? Und unter welchen Bedingungen bleiben Messungen wiederholbar, zuverlässig und zwischen mobilen und stationären 1,5-Tesla-Systemen vergleichbar?
Zur Beantwortung dieser Fragen haben wir eine systematische Vergleichsstudie durchgeführt und veröffentlicht. Mittels Qualitätssicherungsmessungen mit einem Phantom sowie wiederholten MRT-Messungen an Erwachsenen untersuchten wir, ob sich ein Standortwechsel des mobilen Scanners auf die magnetischen Feldbedingungen, die strukturelle Bildgebung und die funktionelle MRT auswirkt; als Referenz diente ein klinisches stationäres 1,5-Tesla-System an einem kooperierenden Krankenhaus. Die Ergebnisse zeigten eine hohe Übereinstimmung zwischen mobilem und stationärem System: In-vivo-Messungen lokaler Feldabweichungen (ΔB0) und B1+-Verteilungen waren zwischen den Systemen äquivalent, strukturelle Bildintensitätsverteilungen und Volumenschätzungen der grauen und weißen Hirnsubstanz waren sehr konsistent, und der Standortwechsel des mobilen Scanners führte zu keinen auffälligen Veränderungen in den Verteilungen der gemessenen Ergebnisse. Zusammengenommen zeigen diese Befunde, dass hochwertige Neurobildgebung mit mobilen 1,5-Tesla-MRT-Systemen gut möglich ist. Diese Arbeiten werden derzeit durch weitere Vergleichsmessungen erweitert, darunter auch Vergleiche von Bildqualitätsmaßen zwischen 1,5-Tesla- und 3-Tesla-Systemen.
Abbildung 2: Mobile 1,5-Tesla-MRT-Plattform Human Development ROVER (HD-ROVER).
(A) Außenansicht der mobilen HD-ROVER-Bildgebungseinheit an einem Untersuchungsort.
(B) Innenansicht des Untersuchungsraums mit dem 1,5-Tesla-MRT-Scanner sowie dem integrierten Patiententisch.
Die Diffusions-MRT eröffnet Einblicke in die Mikrostruktur des Gehirns, indem sie erfasst, wie sich Wasser im Gewebe bewegt. Über die konventionelle Diffusionstensor-Bildgebung hinaus können fortgeschrittene Diffusions-Bildgebungsverfahren komplexe Faserorientierungen in der weißen Substanz besser beschreiben. Diese Richtungsinformationen können genutzt werden, um mögliche Verläufe axonaler Verbindungen zu rekonstruieren. Darüber hinaus können quantitative Marker von Gewebeeigenschaften abgeleitet werden. Damit ist die Diffusions-MRT sowohl für die Untersuchung der Organisation von Faserbahnen in der weißen Substanz als auch für die Charakterisierung mikrostruktureller Veränderungen in grauer und weißer Substanz geeignet.
Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung, Optimierung und Evaluation von Diffusions-MRT-Protokollen. Dabei müssen räumliche Auflösung, Winkelauflösung, Messdauer, Anfälligkeit für Bildverzerrungen, das Verhältnis von nutzbarem Signal zu Bildrauschen und die Reproduzierbarkeit der abgeleiteten Messgrößen sorgfältig gegeneinander abgewogen werden. Besonders anspruchsvoll ist dies bei kleinen Strukturen wie den Fornices. Beim Fibertracking wird Richtungsinformation aus der Diffusions-MRT genutzt um mögliche axonale Verbindungen zu verfolgen. Für quantitative mikrostrukturelle Auswertungen werden verschiedene Diffusions-Modelle eingesetzt, aus denen Karten gewebebezogener mikrostruktureller Parameter abgeleitet werden können. Dabei ist wichtig, dass die abgeleiteten Messgrößen gut reproduzierbar sind.
Am MPIB werden solche Diffusionsmethoden in Studien zur frühen Entwicklung bei Säuglingen, zur kognitiven Entwicklung über die Lebensspanne, zum gesunden Altern, zu lernbezogener Plastizität und zu Umwelteinflüssen eingesetzt. Beispiele für in diesem Zusammenhang eingesetzte Methoden sind Constrained Spherical Deconvolution (CSD) für Faserorientierungsmodellierung und Fibertracking, Diffusions-Kurtosis-Imaging (DKI) für Parameter, die sensitiv für Gewebekomplexität sind, sowie NODDI-ähnliche Kompartimentmodelle für neuritenbezogene Messgrößen.
Abbildung 3: Richtungsinformation in der Diffusions-MRT der Fornix-Region.
(A) Sagittale und transversale Schnittbilder mit b = 0, also ohne Diffusionswichtung, dienen als anatomische Referenzbilder; die markierten Kästen zeigen die in den Panels B und C dargestellten Regionen.
(B, C) Tensorbasierte farbkodierte Orientierungskarten zeigen die wichtigsten lokalen Diffusionsrichtungen in der Region der Fornices. Rot bezeichnet die Links-rechts-, Grün die Anterior-posterior- und Blau die Superior-inferior-Orientierung. Diese Karten veranschaulichen, wie die Diffusions-MRT Richtungsinformationen liefert, die zur Rekonstruktion von Faserbahnen in der weißen Substanz genutzt werden können. Bei kleinen Faserbündeln wie den Fornices erfordert dies eine hohe räumliche Auflösung und eine sorgfältige Kontrolle von Partialvolumeneffekten.
