Strukturelle und funktionelle Neurobildgebung

Die Neurobildgebung umfasst eine Reihe von Techniken, die das lebende Gehirn abbilden. Die strukturelle Bildgebung zeigt die Anatomie – Form, Größe und Gewebezusammensetzung von Hirnregionen –, während die funktionelle Bildgebung auf Aktivität schließt, meist aus den Blutfluss- und Blutsauerstoffveränderungen, die neuronale Verarbeitung begleiten. Zusammen ermöglichen sie die nicht-invasive Untersuchung von Gehirnstruktur und -funktion.

Definition

Die strukturelle Neurobildgebung visualisiert die Anatomie und Gewebeeigenschaften des Gehirns, während die funktionelle Neurobildgebung Korrelate neuronaler Aktivität wie Blutfluss und Sauerstoffversorgung misst, wodurch sowohl Struktur als auch Funktion in vivo beurteilt werden können.

Scope

Dieses Thema behandelt die wichtigsten strukturellen Modalitäten (Computertomographie und strukturelle MRT, einschließlich Diffusionsbildgebung und Morphometrie) und funktionellen Modalitäten (funktionelle MRT basierend auf dem BOLD-Kontrast (Blood-Oxygen-Level-Dependent) sowie die Analyse der funktionellen und effektiven Konnektivität). Es beschreibt, was jede Methode als Referenzmethodik misst, nicht als klinische Leitlinie.

Core questions

• Was misst die strukturelle Bildgebung und wie unterscheidet sie sich von der funktionellen Bildgebung?
• Wie leitet die funktionelle MRT neuronale Aktivität aus Blutsauerstoffsignalen ab?
• Wie werden Bilder in quantitative Maße der Gehirnstruktur und Konnektivität umgewandelt?

Key concepts

• Computertomographie und strukturelle MRT
• Diffusionsgewichtete Bildgebung
• Voxel- und oberflächenbasierte Morphometrie
• BOLD-Kontrast (Blood-Oxygen-Level-Dependent)
• Funktionelle und effektive Konnektivität
• Ruhezustandsbildgebung und der Default Mode
• Bildsegmentierung und Quantifizierung

Mechanisms

Die strukturelle MRT unterscheidet Gewebe anhand ihrer magnetresonanztomographischen Eigenschaften, und die Diffusionsbildgebung nutzt die Wasserbewegung, um Mikrostruktur und Faserorientierung zu untersuchen (Le Bihan et al., 1986). Die funktionelle MRT basiert auf der Entdeckung, dass sich desoxygeniertes und oxygeniertes Blut in ihrer magnetischen Suszeptibilität unterscheiden, sodass Veränderungen der lokalen Blutsauerstoffversorgung, die auf neuronale Aktivität folgen, ein messbares BOLD-Signal (Blood-Oxygen-Level-Dependent) erzeugen (Ogawa et al., 1990). Die Analyse, wie diese Signale über Regionen hinweg kovariieren, liefert Maße für funktionelle und effektive Konnektivität (Friston, 1994), einschließlich Mustern, die in Ruhe ohne explizite Aufgabe beobachtet werden (Gusnard & Raichle, 2001). Automatisierte Pipelines segmentieren und beschriften Bilder, um sie in quantitative anatomische Messungen umzuwandeln (Fischl, 2012).

Clinical relevance

Neuroimaging-Methoden bilden die Grundlage dafür, wie Gehirnstruktur und -funktion in Forschung und Praxis beobachtet und gemessen werden, und das Verständnis dessen, was jede Modalität misst, unterstützt eine sorgfältige Interpretation. Dieser Eintrag ist methodisches Referenzmaterial und liefert keine diagnostischen Kriterien oder Behandlungsempfehlungen.

History

Die Röntgen-Computertomographie ermöglichte erstmals die Darstellung der Gehirnanatomie bei lebenden Menschen, und die Magnetresonanztomographie bot anschließend einen überlegenen Weichteilkontrast und eine diffusionsbasierte mikrostrukturelle Bildgebung (Le Bihan et al., 1986). Die Entdeckung des BOLD-Kontrasts (Blood-Oxygen-Level-Dependent) (Ogawa et al., 1990) führte zur funktionellen MRT, wonach die Konnektivitätsanalyse (Friston, 1994) und die Untersuchung der Ruhezustandsaktivität (Gusnard & Raichle, 2001) das Feld erweiterten, unterstützt durch automatisierte Bildanalysewerkzeuge (Fischl, 2012).

Debates

Was spiegelt das BOLD-Signal tatsächlich wider?

Die funktionelle MRT misst ein Blutsauerstoffsignal, das ein indirekter, vaskulärer Indikator für neuronale Aktivität ist, sodass die präzise Beziehung zwischen der BOLD-Antwort und den zugrunde liegenden neuronalen Ereignissen ein interpretativer Vorbehalt bleibt.

Key figures

• Seiji Ogawa
• Denis Le Bihan
• Karl Friston
• Marcus Raichle
• Bruce Fischl

Seminal works

• ogawa-1990
• le-bihan-1986
• friston-1994

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen struktureller und funktioneller Neurobildgebung?

Die strukturelle Neurobildgebung bildet die Anatomie und das Gewebe des Gehirns ab, während die funktionelle Neurobildgebung Korrelate der Aktivität misst, wie z.B. die Blutsauerstoffveränderungen, die die neuronale Verarbeitung begleiten.

Misst die funktionelle MRT Neuronen direkt?

Nein. Sie misst ein BOLD-Signal (Blood-Oxygen-Level-Dependent), einen indirekten vaskulären Indikator, der der neuronalen Aktivität folgt, anstatt die Aktivität von Neuronen direkt aufzuzeichnen.