Erste Erfahrungen mit "Arterial Blood Contrast" (ABC) fMRT im menschlichen motorischen Kortex bei 7 Tesla
Die Gehirnfunktionen des Menschen werden routinemäßig unter Verwendung des "Blood Oxygenation Level Dependent" (BOLD) Kontrasts erforscht (Kwong et al. 1992; Ogawa et al. 1992). Um einen maximalen BOLD-Kontrast zu erreichen, sollte die Zeit zwischen der Anregung des Spinsystems und dem Auslesen des Signals gleich der transversalen Relaxationszeit T2* des zu untersuchenden Gewebes sein. Bei 7 Tesla liegt diese Zeit in der Größenordnung von 20 bis 25 ms, was angesichts der neuesten Fortschritte bei der Bildgebungsbeschleunigung eine zu lange Scanzeit darstellt. Darüber hinaus wird das BOLD-Signal durch größere Blutgefäße dominiert und ist daher in seiner räumlichen Selektivität begrenzt. VASO (VAscular Space Occupancy) wurde als eine Lösung für das zweite Problem entwickelt (Huber et al. 2018). Hier wird das zerebrale Blutvolumen als Marker für die funktionelle Aktivität verwendete, was zu einer besseren räumlichen Korrelation zwischen neuronaler Aktivität und gemessener Signaländerung führt. Vor kurzem wurde eine weitere Technik eingeführt, die die lokale Zunahme des Blutvolumens mit der neuronalen Aktivierung des Gehirns korreliert. Hier wird der Effekt des Magnetisierungs-Transfers (MT) genutzt, um das Signal der grauen Hirnsubstanz zu unterdrücken (Schulz et al. 2020; Priovoulos et al. 2023). Der "Arterial Blood Contrast" (ABC) ist additiv zum BOLD-Effekt, hat aber seinen Maximalwert zum Zeitpunkt der Anregung, was zu einer besseren Nutzung der Scanzeit führt.
Als ersten Schritt zur Implementierung der ABC-fMRT bei 7 Tesla wurde die Aktivierung des motorischen Kortex durch ein "Fingertapping" Paradigma (rechte Hand) untersucht. Eine Doppelecho-3D-EPI-Sequenz mit einer 4 x 2 Bildgebungs-Beschleunigung und 6/8 partiellem Fourier wurde verwendet (Wiederholzeit TR = 1920 ms; Echozeiten TE1/2 = 11,8/27,8 ms; Empfängerbandbreite BW = 1860 Hz/Px; 1,5 mm isotrope Voxel). Des weiteren wurde eine MT-Präperation (siehe Abb. 1) verwendet, um den ABC-Kontrast zu erzeugen.
Die Aktivierungskarten für 5 Probanden sind in Abbildung 2 dargestellt. Für alle Bedingungen wird der motorische Kortex aktiviert. Eine Abnahme der Anzahl der aktivierten Voxel ist bei Bildern mit MT-Präperation im Vergleich zu Bildern mit ohne MT-Präperation zu beobachten.
Die entsprechenden zeitlichen Signalverläufe und mittleren Signalstärken in drei verschiedenen Schichten des motorischen Kortex, gemittelt über alle 5 Probanden, sind in Abbildung 3 dargestellt. Das erwartete Muster der hämodynamischen Reaktion ist für alle experimentellen Bedingungen ersichtlich. Das Gesamtsignal ist stärker bei TE = 27,8 ms als bei 11,8 ms - unabhängig von der MT-Präparation.
Allerdings wurde selbst bei der niedrigsten Echozeit, die mit der gewünschten räumlichen Auflösung erreichbar war, ein BOLD-Signal gemessen - ohne einen messbaren Einfluss der MT-Präparation auf dessen Signalamplitude. Dies hat vor allem zwei Gründe: Erstens führte die hohe Feldstärke von 7 Tesla zu einer Reduzierung des T2* im Vergleich zu konventionelleren Feldstärken von 3 Tesla. Das bedeutet, dass die optimale Echozeit für den BOLD-Effekt in unserem Experiment mit 7 T geringer ist als in den Experimenten von Schulz et al. (2020), die bei 3 T durchgeführt wurden. Zweitens ist die niedrigste, technisch erreichbare Echozeit in unserem Experiment (11,8 ms) fast doppelt so lang wie die von Schulz et al. verwendete Echozeit (6,9 ms). Dies wird durch die längeren Echozüge verursacht, die notwendig sind, um eine höhere räumliche Auflösung (1,5 mm vs. 3,0 mm isotrop) mit ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Daher ist es eine große Herausforderung, bei einer Feldstärke von 7 T den ABC-Kontrast vollständig mit hoher räumlicher Auflösung vom BOLD-Effekt zu isolieren. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Durchführung des Experiments bei 7 T möglich ist und seine Implementierung als zukünftiges Werkzeug, ergänzend zu BOLD und VASO, zur Untersuchung der Gehirnfunktion dienen kann.
Literatur
