Grundlagen
Physikalische und technische Grundlagen
Die funktionelle Kernspintomographie ist in der Lage, funktionelle Zusammenhänge biologischer Strukturen zu verbildlichen. Dies geschieht auf der Grundlage der variierenden magnetischen Eigenschaften oxygenierten beziehungsweise desoxygenierten Blutes (siehe BOLD-Effekt). Besonders eklatant zeigt sich dieser Effekt beim Stoffwechsel des Gehirns, der sich durch eine Aktivierung der Kortexareale steigert. Das aktivierte Areal reagiert durch einen überproportionalen Anstieg des Blutflusses, der wiederum die Konzentration von oxygeniertem relativ zu desoxygeniertem Hämoglobin erhöht. Dies resultiert in einer Veränderung der effektiven Querrelaxationszeit und ultimativ in einer Signaländerung. Zu zwei verschiedenen Zeitpunkten können dann Aufnahmen vom Ruhezustand und stimulierten Zustand gemacht werden. Diese werden direkt verglichen, der Hirnregion zugeordnet und dann dargestellt.
Anders ausgedrückt: fMRI-Aufnahmen machen also Durchblutungveränderungen sichtbar. Von diesen wiederum wird auf Stoffwechselvorgänge rückgeschlossen, die mit neuronaler Aktivität in Verbindung stehen sollen. Damit der Ort der neuronalen Aktivität definiert werden kann, vergleicht man den oxygenierten Gewebeblutgehalt zu zwei Zeitpunkten. Die Durchblutungsunterschiede schließlich prüft man auf statistische Signifikanz hin d.h. schließt zufällige Schwankungen aus.
fMRI-Untersuchungen laufen meist dreistufig ab: Zunächst wird mittels eines Prescans die korrekte Lagerung des Patienten festgestellt. Im folgenden anatomischen, räumlich hoch auflösenden MRT-Scan wird die Anatomie des zu untersuchenden
Bereichs durch Bildfusion möglichst detailliert dargestellt. Schließlich werden im fMRI-Scan durch Applikation des BOLD-Effekts Durchblutungsunterschiede im untersuchten Gewebe gezeigt.
Zur Datengenerierung wird der Probanden im dritten Teil mit einem wiederholten Reiz konfrontiert. Wie bei einem Test in der Schule muss er beispielsweise bei jedem gezeigten Objekt Y dieselbe Taste zu drücken. Wichtig ist dabei die häufige Repetition der Aufgabe. Die ermöglicht hinterher im statistischen Verfahren den Vergleich der aufgezeichneter Daten in Reizphase und Ruhephase. Der evaluierte Unterschied kann dann mittels Falschfarben auf den aus Schritt zwei resultierenden, anatomischen MR-Scan projiziert werden. Insgesamt beträgt die Dauer einer derartigen Untersuchung meist um die vierzig Minuten. Die tatsächliche Auswertung der Ergebnisse nimmt dann aufgrund der aufwendigen, computergestützten Berechnungsschritte nochmals mehrere Stunden bis zu einigen Tagen in Anspruch.
Es gibt zwei Phänomene, die das Messergebnis verfälschen könnten und die es deshalb zu verhindern gilt: Den Post-Stimulus-Undershoot und den sogenannten "lnflow-Effekt". Bei der fMRI-Messung muss man zunächst darauf achten, dass die Präsentation des Stimulus und der Erfassung der Antwort tatsächlich analog zum Zeitverlauf der BOLD-Antwort stattfinden. Man muss die Wiederholungsfrequenz so wählen, dass eine Einflußnahme auf die Aktivierung durch den Post-Stimulus-Undershoot der zuvor stattgefunden habenden Aktivierung ausgeschlossen ist. Daneben kann es in den aktiven Hirnregionen außerdem noch zum "lnflow-Effekt" kommen: Für den angehobenen Sauerstoffantransport dilatieren die präkapillaren Sphinkteren, der Blutfluss steigt in das Kapillarbett an und ungesättigte Spins aus benachbarten Schichten können einströmen. Dies führt in der aktiven Region zum zusätzlichen Signalanstieg. Durch diesen Inflow-Effekt können die eigentlichen Aktivierungen überlagert und das Messergebnis verfälscht werden.