Messverfahren

Strukturelle Bildgebung

Die Gewebestrukturen im Gehirn sind sehr unterschiedlich und besitzen unterschiedliche magnetische Eigenschaften. Das heißt, sie erzeugen bei einer Anregung der Kernspins mit elektromagnetischen Wellen verschieden starke Signale, die das MRT aufzeichnen kann. Daraus macht das MRT anatomische Bilder des Gehirns. Dies wird als strukturelle Bildgebung bezeichnet.
Durch das wiederholte Messen struktureller Bilddaten über einen längeren Zeitraum können Wissenschaftler*innen auch geringfügige lokale Veränderungen der Anatomie im Gehirn erkennen. Dies wird insbesondere in Trainingsstudien zur Untersuchung der Auswirkungen von Gedächtnistraining oder Fitnesstraining genutzt. In solchen Studien werden MRT-Messungen zu mehreren Zeitpunkten durchgeführt, zum Beispiel vor, während und nach einem längerfristigen Trainingsprogramm. Anhand dieser Messungen können die Wissenschaftler*innen dann untersuchen, ob und in welchem Maße strukturelle Veränderungen im Gehirn mit dem Training einhergehen und ob ein Zusammenhang mit möglichen Veränderungen der Gehirnleistung zu beobachten ist.


Funktionelle Bildgebung

Neben der strukturellen Bildgebung ist es auch möglich, dem Gehirn bei der „Arbeit“ zuzuschauen. Ist ein bestimmter Bereich im Gehirn aktiv, verbraucht er Sauerstoff, welcher dann vermehrt mit dem Blut herantransportiert wird. Da sauerstoffreiches Blut andere magnetische Eigenschaften besitzt als sauerstoffarmes Blut, ergeben sich in den entsprechenden Hirnregionen auf den MRT-Bildern Unterschiede, je nachdem ob sie gerade „aktiv“ oder „nicht aktiv“ arbeiten. Somit kann auch Gehirnaktivität während kognitiver Aufgaben mit dem MRT bildlich dargestellt werden. Dies wird als funktionelle Bildgebung bezeichnet. In aller Regel werden den Studienteilnehmer*innen visuell per Projektion in die Tomografenröhre oder auditorisch über Kopfhörer Aufgaben gestellt, zu deren Lösung eben diese funktionell relevanten Hirnareale in einen aktiven beziehungsweise nichtaktiven Zustand versetzt werden.

Die aufgenommenen Bilder aus dem Arbeitsmodus werden mit denen aus dem Ruhezustand von einem Computerprogramm statistisch verglichen.


Diffusionsgewichtete Bildgebung

In verschiedenen Studien wird ein weiteres MR-Bildgebungsverfahren am Institut genutzt: die diffusionsgewichtete Bildgebung (diffusion-weighted imaging, kurz DWI). Mit diesem Verfahren lässt sich die Stärke der (Diffusions-)Bewegung von Wassermolekülen in der weißen Substanz des menschlichen Gehirns bestimmen. Dadurch können die Wissenschaftler*innen mikrostrukturelle Veränderungen im Gehirn untersuchen, die zum Beispiel durch gezieltes Training hervorgerufen werden oder über die Lebensspanne zu beobachten sind.

Bei den Diffusionsmessungen wird die mikroskopische Bewegung von Wassermolekülen im Hirngewebe untersucht. Da die Bewegung von Wassermolekülen in unterschiedlichen Raumrichtungen erfolgt, ist es möglich, für jeden Bildpunkt Richtungsprofile dieser Diffusion zu messen. Aus den gemessenen Diffusionsprofilen lassen sich Rückschlüsse auf die mikrostrukturellen Eigenschaften des Gehirns ziehen, indem eine schwächere Diffusion durch eine höhere Membrandichte erklärt wird und die Hauptrichtung der Diffusionsprofile in der weißen Hirnsubstanz als räumliche Ausrichtung von Nervenfasersträngen interpretiert wird.


Hochaufgelöste strukturelle Bildgebung des Hippocampus

Eine spezielle Form der strukturellen Bildgebung kann mithilfe einer besonders hohen Auflösung und eines optimierten Kontrasts Teilstrukturen des Hippocampus, die sogenannten Hippocampus-Subfelder, identifizieren und voneinander abgrenzen. Linker und rechter Hippocampus befinden sich am jeweils zur Mitte des Gehirns hin gelegenen Rand vom linken beziehungsweise rechten Schläfenlappen und spielen bei Lern- und Erinnerungsvorgängen eine zentrale Rolle. Die Hippocampus-Subfelder übernehmen dabei unterschiedliche Teilaufgaben.

Für die Untersuchung von strukturellen Veränderungen des Hippocampus, zum Beispiel im Rahmen einer Trainingsstudie, ist es daher besonders interessant, Volumenveränderungen der Hippocampus-Subfelder im Detail zu bestimmen. Das hierfür zur Anwendung kommende Messverfahren wird für die Abgrenzung der Subfelder benötigt und optimiert.

Magnetresonanzspektroskopie

Beispiel eines MR-Spektrums gemessen im visuellen Cortex, auch Sehrinde genannt: (Cr = Kreatin, PCr = Phospho-Kreatin, Glu = Glutamat, Ins = Myo-Inositol, Cho = Cholin, Asp = Aspartat, NAA = N-Acetyl-Aspartat, MM = diverse Makromoleküle

Mit der Magnetresonanzspektroskopie werden keine Bilder erzeugt. Stattdessen werden biochemische Substanzen im Körper bestimmt und deren Konzentration innerhalb eines jeweils abgegrenzten Bereichs im Gehirn gemessen. So erhalten die Wissenschaftler*innen beispielsweise wichtige Informationen über den Stoffwechsel einer bestimmten Gehirnregion. Insbesondere die Konzentrationsbestimmung von Botenstoffen im Gehirn, wie zum Beispiel Glutamat und Glutamin, ist interessant, um Prozesse im Gehirn besser verstehen zu können.

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