UNIVERSITÄTSKLINIK FÜR NEUROLOGIE

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Magnetresonanztomographie

Leitung

Dr. rer. nat. Physiker Claus Tempelmann

Mitarbeiter

Dr. rer. nat. Physiker Martin Kanowski
Dr. rer. nat. Physiker Jörn Kaufmann
Renate Blobel (MTRA)
Kerstin Möhring (MTRA)
Denise Scheermann (MTRA)
Ilona Wiedenhöft (MTRA)

Kooperationen

Universitätsklinik Magdeburg

Prof. Johannes Bernarding, Institut für Biometrie und Biomedizinische Informatik
Prof. Emrah Düzel, Institut für Kognitive Neurologie und Demenzforschung
Prof. Michael Hoffmann, Augenklinik
Dr. Michael Luchtmann, Klinik für Neurochirurgie
Dr. Kolja Schiltz, Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie
Prof. Martin Skalej, Institut für Neuroradiologie
Prof. Jürgen Voges, Klinik für Stereotaktische Neurochirurgie

Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen, Magdeburg

Prof. Peter Nestor

Leibniz-Institut für Neurobiologie Magdeburg Dr. Andre Brechmann

Prof. Max Hopf
Prof. Ariel Schönfeld
Dr. Jörg Stadler

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Prof. Stefan Pollmann, Abteilung Allgemeine Psychologie
Prof. Oliver Speck, Abteilung für Biomedizinische Magnetresonanz

Max-Planck-Institut für Bildungsforschung Berlin

Dr. Nils Bodammer
Dr. Martin Lövdén

Universitätsklinik Hamburg-Eppendorf

Dr. Kai Boelmans, Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie
Dr. Cindy Eckart, Institut für Systemische Neurowissenschaften

Universitätsklinik Jena

Dr. Julian Grosskreutz, Hans-Berger-Klinik für Neurologie
Prof. Jürgen Reichenbach, Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie

Universitätsklinik Hannover

Prof. Kirsten Mueller-Vahl, Klinik für Psychiatrie, Sozialpsychiatrie und Psychotherapie

Universitätsklinik Lübeck

Prof. Thomas Münte, Klinik für Neurologie

Universität Zürich, Schweiz

Dr. Marcus Grüschow, Department of Economics

Universität Barcelona, Spanien

Prof. Antoni Rodriguez-Fornells

 

Thema

An der Universitätsklinik für Neurologie wird ein 3-Tesla-Magnetresonanztomograph (Siemens Trio) für Forschungszwecke betrieben. Bis Ende 2011 stand auch ein 1,5-Tesla-Gerät (General Electric) zur Verfügung. Weiterhin hat die Klinik Zugriff auf den am Leibniz-Institut für Neurobiologie installierten ersten europäischen 7-Tesla-Tomographen für Anwendungen am Menschen. Sie erhält zudem Messzeiten am 3-Tesla-Verio des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) und entwickelt und optimiert gemeinsam mit den Mitarbeitern des DZNE Methoden für dieses Gerät. Alle genannten Geräte werden von vielen Arbeitsgruppen innerhalb und außerhalb der Klinik genutzt und dabei sowohl für die kognitive Grundlagenforschung als auch für die klinisch-neurologische Forschung eingesetzt. Hauptaufgabe der Arbeitsgruppe Magnetresonanztomographie ist es, in Zusammenarbeit mit den Nutzern Methoden für die Akquisition und Analyse der Daten zu entwickeln und zu verbessern. Zum Einsatz kommende Methoden in der klinisch-neurologischen Forschung sind neben den klassischen Methoden der strukturellen Bildgebung auch funktionelle Hirnbildgebung, Bildgebung mit Magnetisierungstransfer, suszeptibilitätsgewichtete Bildgebung, Angiographie, diffusionsgewichtete Bildgebung, inklusive Diffusionstensorbildgebung und Protonen-Spektroskopie. Über die Ergebnisse vieler dieser Forschungsprojekte berichten die beteiligten Arbeitsgruppen. Deshalb soll sich dieser Bericht auf einige technisch-methodische Aspekte beschränken.

In den letzten Jahren wurden diffusionsgewichtete Aufnahmen an MRTs mit Feldstärken von 1,5 Tesla, 3 Tesla und 7 Tesla durchgeführt. Während die Analysemethoden für die 1,5-Tesla-Daten bereits etabliert waren, waren für die 3- und 7-Tesla-Studien zahlreiche Weiterent­wicklungen erforderlich, um den Anforderungen höherer Richtungsauflösung und räumlicher Auflösung gerecht werden zu können. So wurden unter anderem die Verfahren zur Bewegungskorrektur verbessert, das selbst entwickelte probabilistische Fibertracking­verfahren stark beschleunigt und dadurch die statistische Aussagekraft erhöht. Außerdem wurde für Aufnahmen mit sehr hoher Richtungsauflösung das Fibertrackingverfahren im FSL-Softwarepaket (FMRIB, University of Oxford) in unsere Auswerteroutinen integriert. Zur Analyse der strukturellen Konnektivität zwischen unterschiedlichen Hirnarealen wurden Auswerteverfahren etabliert, welche auf den modellierten Faserbahnen beruhen. In der klinischen Forschung haben wir unsere Methoden hauptsächlich auf neurodegenerative Fragestellungen (ALS, Parkinson, kortikobasale Degeneration), aber auch auf neurologische Fragestellungen (Epilepsie, Hirayama-Erkrankung) angewandt. Bei den meisten Erkrankungen mit Beteiligung der Pyramidenbahn haben wir die Faserverbindungen der kortikospinalen Bahn mit Start in Höhe der Brücke bis zum Erreichen des Motorkortex modelliert. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, wurde eine Filterregion in Höhe der inneren Kapsel gelegt, damit nur Fasern aus der kortikospinalen Bahn einbezogen werden. Eine entsprechend berechnete Maske garantiert, dass nur Verbindungen berücksichtigt werden, die vollständig durch die weiße Substanz laufen.

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Abb. 1: Faserverbindungen von der Brücke in den Motorkortex, die durch eine Filterregion in der inneren Kapsel verlaufen

In der Grundlagenforschung wurden Studien mit diffusionsgewichteter Bildgebung und Diffusionstensorbildgebung zu den Verzweigungen der Faserverbindungen im visuellen System, zu Verbindungen von Regionen bei Gedächtnisprozessen und zu Verbindungen des Thalamus mit anderen Hirnregionen durchgeführt.

» Analyse struktureller Daten

Hochaufgelöste anatomische MR-Daten lassen sich in vielerlei Hinsicht analysieren. Speziell T1-gewichtete Aufnahmen werden häufig mit voxelbasierter Morphometrie (VBM) bezüglich Gruppenunterschieden ausgewertet. Im MR-Labor haben wir zahlreiche Anwender bei VBM-Analysen unterstützt. Außerdem wurden zielgerichtet Veränderungen unterschiedlicher kortikaler oder subkortikaler Areale, z.B. mit der Auswertesoftware Freesurfer (Harvard Medical School) untersucht. Für die spezielle Fragestellung der Veränderung der Hippokampusform, die bei vielen neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen von großem Interesse ist, haben wir ein Verfahren zur Formanalyse der UCLA (Los Angeles) angepasst und auf Daten von ALS-Patienten und Schizophreniepatienten angewandt. Das folgende Bild zeigt, in welchen Bereichen des Hippocampus bei Schizophreniepatienten besonders starke Veränderungen zu beobachten sind. Insbesondere im CA1-Subfeld zeigt sich eine deutliche Reduzierung der radialen Distanzen von der Mittellinie zur Oberfläche der Hippocampi.

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Abb. 2: Unterschiede zwischen Schizophreniepatienten und gesunden Kontrollprobanden im radialen Abstand von der Mittellinie zur Oberfläche des Hippocampus

Der Hippocampus spielt auch in der Demenz- und Gedächtnisforschung eine wichtige Rolle. Deshalb wurden am 7-Tesla-Tomographen T2- und T2*-gewichtete Sequenzen mit hoher räumlicher Auflösung akquiriert. Wie das folgende Bild zeigt, erlaubt die erreichte Auflösung von 0,3 mm in der Schicht eine Parzellierung von Hippocampus-Subfeldern. Diese Parzellierung ist vor allem bei der Zuordnung und Interpretation der Ergebnisse von fMRI-Studien zur Abspeicherung und zum Abruf bei Lernvorgängen wichtig.

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Abb. 3: Parzellierung von Hippocampus-Subfeldern auf einem T2-gewichteten räumlich hoch aufgelösten 7-Tesla-Bild

Als alternative Behandlungsoption für therapierefraktärere Epilepsien wird gegenwärtig die Tiefe Hirnstimulation intensiv erforscht. Ein wichtiger Zielpunkt für die zu implantierenden Elektroden ist der anteroventrale Kern im Thalamus. Um die Elektrodenlagen im Gehirn optimal an die individuelle Patientenanatomie anpassen zu können, wurde in Zusammenarbeit mit der Klinik für Stereotaktische Neurochirurgie die präoperative MRT‑Bildgebung bei 3 Tesla derart verfeinert, dass sowohl der anteroventrale Kern selbst als auch die ihn umhüllenden stark markfaserhaltigen Schichten direkt auf den MRT‑Bildern sichtbar sind. Das neu entwickelte Bildgebungsprotokoll wird mittlerweile routinemäßig angewandt.

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Abb. 4: Darstellung des anteroventralen Kerns im Thalamus auf einem T1-gewichteten 3-Tesla-Bild

Protonenspektroskopie Mit der Protonenspektroskopie lassen sich in einigen neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen relative Konzentrationsänderungen bestimmter chemischer Substanzen nachweisen, die im Hirnstoffwechsel oder als Neurotransmitter von Bedeutung sind. Wir haben hauptsächlich Spektroskopie bei Demenzerkrankungen, aber auch bei psychiatrischen Fragestellungen angewandt. Häufig untersuchte Gehirnareale waren der Hippocampus, das posteriore Cingulum, das pregenuale anteriore Cingulum, der inferiore Temporallappen und das frontale Operculum in der Inselregion. Funktionelle Hirnbildgebung (fMRI) An allen von der Universitätsklinik für Neurologie betriebenen Kernspintomographen ist die funktionelle Bildgebung ein Forschungsschwerpunkt. Mitarbeiter der Klinik selbst und Kooperationspartner aus anderen Kliniken und psychologischen Instituten haben unter anderem fMRI-Studien zu folgenden Themen durchgeführt: visuomotorisches System, visuelle Aufmerksamkeit, auditorische Wahrnehmung, multisensorische Integration, Arbeitsgedächtnis, Emotionsverarbeitung, Belohnung, Zuordnungen Gesicht-Name. Ein Großteil dieser Studien wurde am 3-Tesla-Tomographen durchgeführt, aber für einige Themen war eine höhere räumliche Auflösung wünschenswert, weshalb auf den 7-Tesla-Tomographen ausgewichen wurde. Die zur Verfügung stehenden fMRI-Methoden am 7 Tesla wurden im Berichtszeitraum in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Neurobiologie und der Abteilung Biomedizinische Magnetresonanz derart weiterentwickelt, dass nun räumliche Auflösungen bis zu 0.8 mm, in ausgewählten Hirnregionen (insbesondere Occipitalkortex) sogar bis zu 0.6 mm, möglich sind. Anwendung fand diese hochaufgelöste funktionelle Bildgebung insbesondere bei zahlreichen Studien zu Gedächtnisprozessen, die den Schwerpunkt auf den Hippocampus legten. Auch der McGurk-Effekt wurde in einer fMRI-Studie am 7 Tesla untersucht.

Klinische Studien

Für die Mitarbeiter des Magnetresonanzlabors stehen methodische Entwicklungen, Grundlagenforschung und die Beratung und Betreuung der Kooperationspartner im Mittelpunkt. Hierbei wurden auch zahlreiche klinische Studien zu Krankheitsbildern wie Multiple Sklerose, Amyotrophe Lateralsklerose, Epilepsie, Schlaganfall, Gedächtnisstörungen, Aufmerksamkeitsstörungen, Bewegungsstörungen, Depressionen und Schizophrenie unterstützt.

Ausgewählte Publikationen

Buentjen L, Kopitzki K, Schmitt FC, Voges J, Tempelmann C, Kaufmann J, Kanowski M. Direct Targeting of the Thalamic Anteroventral Nucleus for Deep Brain Stimulation by T1‑Weighted Magnetic Resonance Imaging at 3 T. Stereotact Funct Neurosurg. 2014;92:25-30.

Schuster C, Kasper E, Machts J, Bittner D, Kaufmann J, Benecke R, Teipel S, Vielhaber S, Prudlo. Focal thinning of the motor cortex mirrors clinical features of amyotrophic lateral sclerosis and their phenotypes: a neuroimaging study.  J. J. Neurol. 2013 Nov; 260(11):2856-64.

Hoefer M, Tyll S, Kanowski M, Brosch M, Schoenfeld MA, Heinze HJ, Noesselt T. Tactile stimulation and hemispheric asymmetries modulate auditory perception and neural responses in primary auditory cortex. Neuroimage. 2013 Oct 1;79:371-82.

Ash T, Suckling J, Walter M, Ooi C, Tempelmann C, Carpener A, Williams G. Detection of physiological noise in resting state fMRI using machine learning. Hum Brain Mapp. 2013 Apr;34(4):985-98.

Zierhut KC, Graßmann R, Kaufmann J, Steiner J, Bogerts B, Schiltz K. Hippocampal CA1 deformity is related to symptom severity and antipsychotic dosage in schizophrenia. Brain. 2013 Mar;136(Pt 3):804-14.

Boelmans K, Kaufmann J, Schmelzer S, Vielhaber S, Kornhuber M, Münchau A, Zierz S, Gaul C. Hirayama disease is a pure spinal motor neuron disorder - a combined DTI and transcranial magnetic stimulation study. J Neurol. 2013 Feb;260(2):540-8.

Bittner DM, Heinze HJ, Kaufmann J. Association of 1H-MR spectroscopy and cerebrospinal fluid biomarkers in alzheimer's disease: diverging behavior at three different brain regions. J Alzheimers Dis. 2013 Jan 1;36(1):155-63.

Letzte Änderung: 28.09.2018 - Ansprechpartner:

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