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25.04.2006 - NEUROSCIENCE

Neue Erkenntnisse der Hirntomografie

Max-Planck-Forscher zeigen, dass Signale der funktionellen Hirnbildgebung Abschwächungen der Hirnaktivität abbilden

Christina Beck, MPG

 
 

MRI-Aufnahme des hinteren Hirnteils
zeigt Regionen, die negativ (blau) und
positiv (rot) auf visuelle Stimuli antworten
Bild: MPI für biologische Kybernetik

Die funktionelle Hirntomografie findet breite Anwendung bei der Erforschung der Hirnfunktion. Dabei geht es um die Arbeitsweise des Gehirns wie auch um die Untersuchung von Erkrankungen. Vor allem bei der Diagnose von neurologischen und psychischen Störungen spielt sie eine zunehmende Rolle sowie bei der Planung von neurochirurgischen Eingriffen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen haben in einer Studie gezeigt, dass verminderte und im Vergleich zum Normalzustand "negative" Signale der funktionellen Hirntomografie und die Abnahme der neuronalen Aktivität miteinander in Zusammenhang stehen und dass einem negativen Antwortsignal der Bildgebung lokale Rückgänge der neuronalen Aktivität zugrunde liegen. Diese Erkenntnisse der Tübinger Neurobiologen lassen eine erweiterte Nutzung der funktionellen Hirntomografie für die Zukunft erwarten.

Bei der Wahrnehmung eines Objekts sind andere Teile des Gehirns aktiv als beispielsweise beim Lösen einer Rechenaufgabe. Auch der Hirnstoffwechsel und die Versorgung des Gehirns mit Blut folgen dieser Spezifität. Wenn eine Person eine Erkennungsaufgabe ausführt, bekommen die Hirnareale, die während dieses visuellen Erkennungsprozesses aktiv sind, mehr Blut als andere Hirnregionen. Da der Blutfluss zu aktiveren Hirnarealen zunimmt, steigt auch die Sauerstoffkonzentration in diesen Arealen. Dieses Prinzip ermöglicht das Studium der Gehirnaktivität in Verbindung mit einer Vielfalt von Aufgaben und Bedingungen. Man bezeichnet das als funktionelle Hirntomografie oder -bildgebung.

Die Mehrheit der Studien mit funktioneller Hirnbildgebung nutzt Techniken wie die Magnetresonanz- oder Kernspintomografie (MRI), die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) oder die optische Bildgebung. Diese Techniken ermöglichen die Messung von räumlichen und zeitlichen Veränderungen des Blutzuflusses oder der Sauerstoffkonzentration im Gehirn. Sie messen damit quasi Sekundärsignale, denn neuronale elektrische Aktivität wird nicht erfasst. Um die ermittelten Signale richtig interpretieren zu können, ist es von entscheidender Bedeutung, die Beziehung zwischen diesen Signalen und der ihnen zugrunde liegenden neuronalen Aktivität zu verstehen.

Neben den allgemein verzeichneten Signalsteigerungen trifft man in Studien mit funktioneller Hirnbildgebung immer wieder auch auf anhaltende Verminderungen des Blutflusses und des Blutsauerstoffgehalts im Gehirn. Diese gewissermaßen "negativen" Signale könnten das Ergebnis von vaskulären Vorgängen darstellen und unabhängig sein von lokalen Veränderungen der neuronalen Aktivität. Eine Zunahme des Blutflusses in einem Areal könnte aufgrund der insgesamt limitierten Blutmenge zu einer Abnahme des Blutflusses in anderen Arealen führen. Die Wissenschaftler bezeichnen dieses Phänomen als "Stealeffect" (engl. steal: stehlen). Stimmt dieses Szenario, dann wären diese negativen Antwortsignale als Begleiterscheinungen einzustufen. Im Gegensatz dazu könnten die negativen Antwortsignale aber auch eine Reduktion der neuronalen Aktivität widerspiegeln.

In einer unlängst in Nature Neuroscience veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen den Zusammenhang zwischen dieser Verminderung des funktionellen MRI Signals und der zugrundeliegenden neuronalen Aktivität untersucht. Sie verwendeten dabei einen sensorischen Stimulus, mit dem nur Teile des Sehfeldes stimuliert werden. Die Regionen im hinteren Teil des Gehirns, die an der Verarbeitung visueller Informationen mitwirken, sind in Karten organisiert, auf denen kleine Neuronengruppen Teile des Sehfeldes repräsentieren. Stimulierten die Wissenschaftler nur einen Teil des Sehfeldes, führte das zu negativen Antwortsignalen in den Regionen, die nicht das stimulierte Stück des Sehfeldes repräsentierten.

Amir Shmuel, Mark Augath, Axel Oeltermann und Nikos Logothetis fanden heraus, dass dieses negative Antwortsignal bei der funktionellen Bildgebung tatsächlich mit einer Abschwächung der neuronalen Aktivität verknüpft ist. Sowohl in den Synapsen als auch in den Zellkörpern der lokalen Neuronen nahm die elektrische Aktivität ab. Während das Absinken der synaptischen Aktivität eine Abnahme des Inputs in die lokalen Neuronen widerspiegelt, ist es beim Absinken der Aktionspotenziale, die von den Zellkörpern produziert werden, eine Abnahme des Output-Signals. Da das Auftreten des neuronalen Aktivitätsabfalls sofort erfolgte, konnte die später auftretende Verringerung des Blutflusses nicht die Ursache dafür sein, die Abnahme der neuronalen Aktivität also keine durch einen "Stealeffect" bewirkten vaskulären Gründe haben.

Die Wissenschaftler halten es für am plausibelsten, dass ein signifikanter Teil des negativen Antwortsignals der funktionellen MRI durch die Abnahme der neuronalen Aktivität ausgelöst wird. "Die vorliegende Studie ermöglicht es den Forschern, die negativen Signale der funktionellen Hirnbildgebung zu nutzen", erklärt Nikos Logothetis, "um daraus auf Abschwächungen der Hirnaktivität in Verbindung mit bestimmten kognitiven Aufgaben oder neurologischen Erkrankungen zu schließen."


Mehr im Internet:
Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik
Kombinierter Scharfblick auf Gehirnfunktionen (Juli 2001)
Die Grenzen der Plastizität, 25.05.2005


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