fMRT der Basalganglien bei 7 Tesla mit Single- und Multi-Echo Protokollen
Die Basalganglien (BG) spielen eine entscheidende Rolle bei kognitiven Prozessen und Erkrankungen des zentralen Nervensystems. Die Untersuchung ihrer Funktionsweise könnte dazu beitragen, die neuralen Grundlagen von Therapien wie der Tiefenhirnstimulation und von kognitiven Prozessen wie der Reaktionshemmung aufzuklären. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) mit hoher Spezifität ist jedoch eine Herausforderung, da die BG-Kerne sehr klein und in ihrer anatomischen Position variabel sind. Darüber hinaus unterscheiden sich die magnetischen Eigenschaften dieser eisenreichen Strukturen erheblich von kortikalen Regionen, so dass "Standard" -fMRT-Protokolle zur Kartierung des Kortex für die Untersuchung der Basalganglien ungeeignet sind.
Wir haben daher ein herkömmliches Einzelecho-fMRI-Protokoll entsprechend optimiert und eine Studie bei einer Feldstärke von 7 Tesla unter Verwendung einer sogenannten "Stop-Signal-Reaktion" durchgeführt. Die Experimente führten zu einer signifikanten aufgabenbezogenen Aktivität in den subkortikalen BG-Kernen, was bei Verwendung von fMRT-Protokollen, die nicht für die Kartierung der Basalganglien optimiert waren, nicht der Fall war. Bildgebungsparameter, die an die magnetischen Eigenschaften der Basalganglien angepasst sind, und ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sind daher erforderlich, um diese kleinen subkortikalen Strukturen funktional abzubilden. Um gleichzeitig die kortikalen Bereiche abzubilden, die an der Stop-Signal-Reaktion beteiligt sind, haben wir des weiteren ein Multi-Echo-fMRT-Protokoll angepasst und mit dem ersten Einzel-Echo-Ansatz verglichen. Entgegen unseren Erwartungen zeigten beide Protokolle bei 7 Tesla eine ähnliche Empfindlichkeit in kortikalen und subkortikalen Hirnarealen, was in der folgenden Abbildungen dargestellt ist. Hier werden Aktivierungskarten für die drei Hauptkontraste der "Stop-Signal-Reaktion" - sowohl für die Einzel-Echo- als auch für die optimal kombinierten (OK) Multi-Echo-Daten - angezeigt (Folgende Regionen sind markiert: rechter unterer Frontalgyrus in Weiß, Striatum in Blau, Globus Pallidus Externus und Globus Pallidus Internus in Dunkel- bzw. Hellgrün und Subthalamic Nucleus in Hellblau).
Die offensichtliche Diskrepanz mit theoretischen Vorhersagen kann durch die notwendige Verwendung der beschleunigten Bildgebung erklärt werden. Um ein Multi-Echo-fMRT-Protokoll zum Erfassen der kortikalen und subkortikalen neuronalen Aktivität zu optimieren, muss die Bildgebung signifikant beschleunigt werden, was durch eine Reduzierung der aufgenommenen Datenmenge erreicht wird. Dies verringert jedoch das intrinsische SNR der Bildgebungstechnik, insbesondere an der Position der BG in den tieferen Bereichen des Gehirns. Die Vorteile der Verwendung von Multi-Echo-Protokollen werden somit durch diesen Verlust des SNR ausgeglichen. Daher muss bei der simultanen Untersuchung von subkortikalen Kernen und kortikalen Bereichen das verwendete fMRT-Protokoll sorgfältig in Bezug auf den untersuchten Bereich und die erforderliche Bildgebungsbeschleunigung angepasst werden.
