Der Einsatz von funktioneller
Magnetresonanztomographie (fMRT) zur
Erforschung der supraspinalen
Bewegungskontrolle
Zulassungsarbeit
in der Bewegungswissenschaft
des
Instituts für Sport und Sportwissenschaft
in Freiburg im Breisgau
Vorgelegt von
Malte Uhde
Bearbeitungszeitraum: 01. Dezember 07 bis 01. April 08
Freiburg, den 29.03.2008
Kurzfassung
2
Kurzfassung
Die neuronalen Prozesse des menschlichen Gehirns sind Forschungsgegenstand vieler
verschiedener Wissenschaften. Für die Bewegungswissenschaft ist es von Interesse, wie
unser Gehirn die Anforderungen der sportlichen Aktivität bewältigt. Leider ist die Funk-
tionsweise des Gehirns nicht leicht einsehbar. Dies ist natürlich auf die Unzugänglich-
keit und die Komplexität dieser Struktur zurückzuführen, jedoch auch auf die Tatsache,
dass die Methodik zur Erforschung des Gehirns noch nicht ausreichend entwickelt ist.
Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) scheint die Darstellung von sup-
raspinalen Prozessen der Bewegungskontrolle unter physiologischen Umständen mög-
lich zu machen. Die vorliegende Arbeit erläutert die Funktionsweise, verdeutlicht die
Möglichkeiten und Einschränkungen der Methode und bewertet die Anwendbarkeit der
fMRT zur Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle.
Die Arbeit zeigt, dass die Methode geeignet ist die Bewegungswissenschaft bei der
Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle zu unterstützen. Potentiell kann
man mit Hilfe der fMRT Trainingsempfehlungen generieren und motorisches Lernen
kontrollieren. Es ist zu erwarten, dass die bisher erzielten Ergebnisse weitere Nachfor-
schungen mit der Methode anregen werden und sich die fMRT bei sportwissenschaftli-
chen Experimenten etablieren wird. Vor allem die Kombination von fMRT mit anderen
Methoden wird einen genaueren Einblick in die neuronalen Prozesse des Gehirns er-
möglichen und damit ein besseres Verständnis für die supraspinale Bewegungskontrol-
le schaffen.
Schlagwörter: funktionelle Magnetresonanztomographie, supraspinale Bewegungskon-
trolle, bewegungswissenschaftliche Methoden, motorisches Lernen.
Inhaltsverzeichnis
3
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung... 2
Inhaltsverzeichnis ... 3
Abbildungsverzeichnis... 7
Tabellenverzeichnis ... 12
Einführung ... 13
1
Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle ... 16
1.1
Motorische Kontrolle... 16
1.2
Strukturen der supraspinalen Bewegungskontrolle ... 17
1.3
Mechanismen der supraspinalen Bewegungskontrolle. ... 19
1.4
Methoden zur Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle... 19
1.5
Die funktionale Magnetresonanztomographie ... 19
1.6
Positronen-Emmissions-Tomographie ... 20
1.7
Elektroencephalographie und Magnetencephalographie... 20
1.8
TMS ... 21
1.9
Kombination von Methoden... 21
1.10 Geschichte der MRT und fMRT... 23
1.11 Entwicklung zur BOLD-fMRT ... 25
2
Physikalische Grundlagen der fMRT ... 27
2.1
Grundlage der Magnetresonanztomographie ... 27
2.2
Kerneigenschaften ... 27
2.3
Kernspin ... 28
2.4
Kernmagnetismus ... 29
2.4.1 Das magnetische Kernmoment... 29
2.4.2 Das gyromagnetische Verhältnis ... 30
2.5
Ausnutzung des Kerneigenschaften für die MRT ... 31
2.6
Wasserstoff in der MRT ... 33
2.7
Der Kernspin im biologischen Gewebe... 33
2.8
Der Kernspin im Magnetfeld... 34
2.9
Das magnetische Grundfeld ... 34
2.10 Ausrichtung der Kernspins im Magnetfeld ... 35
2.10.1 Die Boltzmann-Verteilung ... 36
Inhaltsverzeichnis
4
2.11 Längsmagnetisierung... 36
2.11.1 Der Gesamtmagnetisierungsvektor ... 37
2.12 Präzession der Kernspins... 38
2.12.1 Die Larmor-Frequenz ... 38
2.13 Zusammenfassung Kernspin ... 39
2.14 Kernmagnetresonanz ... 40
2.15 Resonanzbedingung... 41
2.16 Prinzipieller Aufbau eines MR-Experiments ... 41
2.17 Ablauf des MR-Experiments ... 42
2.17.1 Probe im Magnetfeld ... 42
2.17.2 Überlagerung mit der Hochfrequenzstrahlung ... 43
2.17.3 Anregung der Kernspins... 44
2.17.4 Synchronisation der Kernspins... 44
2.17.5 Der Flipwinkel... 45
2.17.6 Beendigung der HF-Einstrahlung und Signalempfang... 47
2.17.7 Das HF-Signal der Probe... 47
2.18 Protonendichte ... 47
2.19 Die Relaxationsprozesse... 47
2.19.1 Die Längsrelaxation... 47
2.19.2 Die Querrelaxation ... 48
2.19.3 T
2
* Relaxationszeit... 50
2.20 Einfluss der Elektronenhülle ... 50
2.20.1 Magnetische Eigenschaften von Gewebe ... 50
2.20.2 Die chemische Verschiebung ... 51
2.21 Diffusion und Perfusion ... 52
2.22 Zusammenfassung Magnetresonanz... 53
3
Bildgebung... 54
3.1
Der MR-Tomograph ... 54
3.1.1 Magnet ... 55
3.1.2 Hochfrequenzsystem ... 55
3.1.3 Gradientensystem ... 55
3.1.4 Rechnereinheit ... 56
3.2
Abbildungsverfahren in der MRT ... 56
3.2.1 Sequenzen... 56
3.2.2 Bildgewichtung... 56
3.3
Bildkontraste... 56
3.3.1 Protonendichte Kontrast ... 57
3.3.2 Die T
1
gewichtete Aufnahme... 57
3.3.3 Die T
2
gewichtete Aufnahme... 58
Inhaltsverzeichnis
5
3.3.4 Die T
2*
gewichtete Aufnahme ... 59
3.3.5 Auswahl der Bildgewichtung ... 60
3.4
Ortskodierung ... 61
3.4.1 Selektive Schichtanregung ... 61
3.4.2 Frequenzkodierung ... 62
3.4.3 Phasenkodierung... 63
3.4.4 Die Fourier-Transformation ... 65
3.5
Messsequenzen ... 65
3.6
Spin-Echo-Technik... 65
3.7
Gradienten-Echo-Technik ... 66
3.8
Echoplanar-Imaging-Technik... 67
3.9
Zusammenfassung der Bildgebung ... 68
4
Funktionelle Magnetresonanztomographie ... 69
4.1
Aufbau: fMRT ... 69
4.2
Hypothetische Basis der fMRT ... 69
4.3
Hämodynamik ... 69
4.4
BOLD-fMRT ... 70
4.5
Der BOLD-Kontrast ... 71
4.6
Die Ausnutzung des BOLD-Kontrasts ... 73
4.7
Studien am Menschen... 74
4.8
Abhängigkeit des BOLD-Effekts von physikalischen Parametern. ... 74
4.8.1 Abhängigkeit von der Konzentration des Desoxyhämoglobins. ... 74
4.8.2 Abhängigkeit des BOLD-Signals vom Magnetfeld ... 75
4.8.3 Abhängigkeit des BOLD-Signals von der Gefäßstruktur... 76
4.8.4 Abhängigkeit des BOLD-Signals von der Reizgestaltung ... 76
4.9
Signal zu Rausch Verhältnis... 77
4.10 Bewegungsartefakte ... 78
4.11 SNR bei verschiedenen Magnetfeldstärken... 79
4.12 Geeignete Messmethoden... 80
4.13 Paradigmen ... 81
4.13.1 Vor- und Nachteile der Experimentdesigns ... 84
4.13.2 Fazit Experimentdesigns ... 85
4.14 Analyse der fMRT-Daten ... 86
4.15 Datenbänke und Programme ... 89
4.16 Der physiologische Ursprung der BOLD-fMRT... 89
4.17 Energiestoffwechsel der Neuronen im Gehirn ... 92
5
fMRT und Bewegungsforschung... 94
Inhaltsverzeichnis
6
5.1
Bewegungsrelevante fMRT-Studien ... 94
6
Diskussion... 133
6.1
Ergebnisse... 141
6.2
Fazit der Diskussion ... 142
7
Schluss ... 143
7.1
Fazit ... 144
7.2
Ausblick... 145
7.3
Danksagung ... 145
Literaturverzeichnis ... 146
Abbildungsverzeichnis
7
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Motorische Regionen des Kortex erstellt durch fMRT Datenanalyse.
Primär-motorischer Kortex (M1), supplementär motorische Kortices (SMA
proper, pre-SMA), prämotorische Kortices (PMd, PMv), Primär-sensible
Areale (S1) (Mayka, 2006). ... 18
Abbildung 2: Methoden im Vergleich: Zeitliche und räumliche Auflösung
bestimmen die Einsetzbarkeit der Methode. fMRT (gelb), kann z.B. nicht
allein für die Beobachtung von einzelnen Neuronen eingesetzt werden
(Gazzaniga, 2004). ... 22
Abbildung 3: Kombinierte Anwendung von fMRT und TMS ermöglicht die
Untersuchung der Art und die Lokalisation der Aktivierung, die durch eine
Handbewegung verursacht wird: Aktivierung in den contralateralen (fetter
Pfeil) und ipsilateralen (dünner Pfeil) Repräsentationen der Hand lokalisiert
durch fMRT. Durch die TMS kann die Art der Aktivierung (Hemmung oder
Erregung) untersucht werden (Krings, 2001). ... 23
Abbildung 4: Kernspin als Dipolmagnet (Frings & Baumann, 2007). ... 29
Abbildung 5: Rotation von positiver Ladung erzeugt ein magnetisches Kernmoment
dessen Ausrichtung
µ
r
kolinear mit
r
der Drehachse des Kernspins ist
(Brix, 2006). ... 30
Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Heliumatoms. Es besitzt zwei
Neutronen und zwei Protonen. Die Einzelspins der Nukleonen heben sich
gegenseitig auf. Nicht direkt im MR-Experiment nachweisbar (Frings,2007)... 32
Abbildung 7: Bei ungerader Nukleonenzahl, ergibt sich ein Gesamtspin. Dieser
Spin wird im MR-Experiment ausgenutzt und in der Kernspintomographie
dargestellt (Frings & Baumann, 2007)... 32
Abbildung 8: Ungeordnete Ausrichtung der Kernspins oder Entropie der Kernspins
ohne extern angelegtes Magnetfeld in biologischem Gewebe. Die
magnetischen Momente im Volumenelement kompensieren sich gegenseitig
(Frings & Baumann, 2007). ... 34
Abbildung 9: Mögliche energetische Zustände der Kernspins im statischen
Magnetfeld: parallele (m = +1/2) und antiparallele (m =-1/2) Ausrichtungen
zu B
0
(Levitt, 2006 ; Brix, 2006). ... 36
Abbildung 10: Überwiegende parallele Orientierung der Kernmomente (m=+1/2)
ist Ursprung für makroskopische Längsmagnetisierung mit der Größe
0
r
(Brix, 2006). Die Ausrichtung der Gesamtmagnetisierung entspricht der
Längsmagnetisierung
0
r
... 37
Abbildung 11: Vergleich zwischen mechanischem und atomarem Kreisel (Brix,
2006). Durch den Drehimpuls L wird der mechanische Kreisel vor dem
Umkippen bewart. Seine Präzessionachse wird durch den Vektor der
Schwerkraft G dargestellt. Beim atomaren Kreisel wird G durch B
0
ersetzt.
Das mit dem Drehimpuls verbundene magnetische Kernmoment präzediert
um die Feldlinien von B
0
. ... 38
Abbildung 12: Darstellung des Verhaltens der Kernspins im Magnetfeld. Die in
Larmor-Frequenz präzedierenden Kernspins richten sich Ihrer Quantenzahl
Abbildungsverzeichnis
8
m entsprechend parallel oder antiparallel aus. Die parallele Ausrichtung
überwiegt und es entsteht eine Längsmagnetisierung der Probe. Diese wird
durch die makroskopische Magnetisierung beschrieben M. Ihr Vektor
r
ist
parallel zum Vektor des Grundfeldes
0
r
. ... 40
Abbildung 13: Übergang in höheren energetischen Zustand ( von m=+1/2 zu m=-
1/2). Dadurch wird das Verhältnis der Ausrichtungen zu Gunsten der
antiparallelen verändert. Dies bedeutet eine Auslenkung aus dem
Grundzustand (thermischen Gleichgewicht) und eine Abnahme der
Längsmagnetisierung. ... 41
Abbildung 14: Prinzipieller Aufbau eines MR-Experiments. System aus
magnetischem Grundfeld B
o
und Probe. Sender- und Empfängereinheit mit
HF-Spule. HF-Impuls ist nicht eingeschaltet. ... 42
Abbildung 15: Impulsabhängiger Aufbau der Quermagnetisierung durch
Phasensynchronisation (Schnell, 1998). ... 44
Abbildung 16: Stationäres Bezugssystem links, rotierendes Bezugssystem rechts
(Schnell, 1998). ... 45
Abbildung 17: Komponenten der Gesamtmagnetisierung M. Sie setzt sich aus
längsmagnetischen Anteil Mz und dem quermagnetischen Anteil Mxy
zusammen. Der Flipwinkel wird durch den Winkel
von M zwischen z-
Achse und xy-Ebene dargestellt (Schnell, 1998). ... 46
Abbildung 18: Eine 90° Auslenkung von M wird als 90° Impuls bezeichnet
(Schnell, 1998). ... 46
Abbildung 19: Der Verlauf der Längsrelaxation nach einem 90° Impuls wird durch
eine exponentielle Funktion dargestellt. T1 ist die Zeit, die benötigt wird bis
die Längsmagnetisierung wieder auf 63% des Ausgangswertes von M
z
zurückgekehrt ist (Brix, 2006). ... 48
Abbildung 20: Der allmähliche Verfall der Quermagnetisierung durch
Dephasierung (Schnell, 1998)... 49
Abbildung 21: Der Verfall der Quermagnetisierung nach einem 90° Impuls mit der
Zeitkonstanten T
2
(Brix, 2006). ... 49
Abbildung 22: Eine diamagnetische Probe bewirkt eine Abnahme des induzierten
Grundfeldes B
0
. ... 51
Abbildung 23: Eine paramagnetische Probe bewirkt eine lokale Zunahme des
induzierten Grundfeldes B
0
. ... 51
Abbildung 24: Ein 1,5T MR-Tomograph. (Siemens, 2003).
http://www.medical.siemens.com ... 54
Abbildung 25: Coronale und sagittale T
1
Aufnahme. Knochen und weiße Hirnmasse
wird hell, Flüssigkeit dunkel dargestellt (Johnson & Becker, 1999). ... 58
Abbildung 26: Coronale und sagittale T
2
Aufnahme. Flüssigkeit wird hell
dargestellt. Deutlicher Kontrast zwischen Weißer und grauer Hirnmasse
(Johnson & Becker, 1999). ... 59
Abbildung 27: Unterschiedliche T
1
und T
2
Verlaufskurven für CSF (Cerebro-
Spinal-Flüssigkeit), Fett, grauer und weißer Hirnsubstanz. Der T
2
Verfall
zeigt keine deutlichen Unterschiede zwischen grauer und weißer Substanz:
Gewebekontrast minimal. Die T
1
Relaxation zeigt einen relativ großen
Unterschied zwischen den Verlaufskurven. Die weiße Hirnsubstanz erreicht
nach ca. 2800ms, die graue Substanz nach ca. 4000ms den Grundzustand:
der Gewebekontrast wird deutlich (Schnell, 1998)... 60
Abbildungsverzeichnis
9
Abbildung 28: Einsatz eines Gradienten zur Selektion einer Schicht innerhalb der
Probe. Veränderung der Magnetfeldstärke innerhalb der Schicht: B
0
+G
S
=
B
S.
Nur die Schicht mit der Magnetfeldstärke B
S
erfüllt dann die
Resonanzbedingung. ... 62
Abbildung 29: Sequenzschema der Schichtselektion. Der Gradient G
S
wird
während des HF-Impulses eingestrahlt (Ludwig, 2002). Die Abbildung zeigt
den Gradient mit zwei unterschiedlichen Polungen. Die Wirkung des
Gradienten wird durch einen zweiten Gradienten ausgeglichen, so dass die
Relaxationsprozesse im gesamten Volumen unter den gleichen Bedingungen
Ablaufen... 62
Abbildung 30: Frequenzkodierung innerhalb der selektierten Schicht durch einen
Gradienten der parallel zur x-Achse ausgerichtet ist. ... 63
Abbildung 31: Sequenzschema einer Frequenzkodierung am Beispiel einer
Gradienten-Echo-Sequenz (Ludwig, 2002). ... 63
Abbildung 32: Phasenkodierung entlang der y-Achse durch Phasenkodiergradienten
G
P
. ... 64
Abbildung 33: Beispielsequenz mit Schicht-, Lese- und Phasengradient (Ludwig,
2002). ... 65
Abbildung 34: Beispiel einer Spin-Echo-Sequenz (SE). Der 180° Impuls wird bei
TE ½ zugeschaltet. Das empfangene Echo bei TE nimmt mit der
gewebespezifischen T
2
Konstanten ab. Das FID zerfällt mit T
2*
. Im unteren
Teil der Abbildung ist die invertierende Wirkung des
Refokussierungsimpulses dargestellt. Bei TE sind die Kernspins erneut in
Phase (Schnell, 1998)... 66
Abbildung 35: Beispiel einer Gradienten-Echo-Sequenz (GRE). Der Gradient der
Frequenzkodierung wird zunächst mit negativer Polung und dann bei TE mit
positiver Polung geschaltet. Das empfangene Signal stammt nur aus einer
bestimmten Schicht und ist frequenz- und phasenkodiert. Die TR ist doppelt
so lange wie TE (Schnell, 1998). ... 67
Abbildung 36: EPI-Sequenz. Die Sequenz enthält alle Gradienten zur räumlichen
Kodierung: einen Schichtgradient G
S
, mehrere Frequenz- oder
Lesegradienten G
R
mit wechselnder Polung und Phasengradienten G
P
.
Während einer Sequenz werden so viele Datenpunkte ausgelesen wie
Lesegradienten geschaltet werden (Ludwig, 2002). ... 68
Abbildung 37: Verlauf der BOLD-Signalantwort (relativer Signalunterschied) auf
einen Stimulus (grauer Balken x-Achse). Der anfängliche Signalabfall wird
eventuell schnelle fMRT-Methoden ermöglichen. Signal ca. 7 s nach
Stimulusende abgeklungen (Marcar & Loenneker, 2004). ... 71
Abbildung 38: Ursprung des BOLD-Kontrasts: Arterielles, sauerstoffreiches Blut
(hoher Sauerstoff Partialdruck) erzeugt hohes MR-Signal. Die magnetischen
Eigenschaften des Blutes führen zu keinen Schwankungen des
Magnetfeldes. Im Gegensatz zu venösem, sauerstoffarmen Blut, das durch
den hohen Anteil an desoxygeniertem Hämoglobin einen großen
Suszeptibilitätsunterschied zum umgebenden Gewebe aufweist. Durch die
Feldinhomogenitäten wird die Abnahme des MR-Signals beschleunigt
(Gore, 2003). ... 72
Abbildung 39: Abhängigkeit der Signalveränderung (BOLD-Effekt) von der
Frequenz des Stimulus. Die Signaländerungen wurden in der Studie mit den
Abbildungsverzeichnis
10
Ergebnissen von PET-Messungen verglichen. Die Korrelation zu den MR-
Messungen zeigt sich in der Grafik (Belliveau, 1992)... 77
Abbildung 40: Der Signalintensitätsverlauf über die Zeit. Das Rauschverhalten
ohne Stimulus wird berechnet. Anschließend wird das gemittelte
Rauschverhalten von dem Signalausschlag abgezogen (Sharma & Sharma,
2004). ... 77
Abbildung 41: Fixation des Kopfes zur Minimierung der Bewegungsartefakte bei
der MR-Datenauslese. Der Einsatz von thermoplastischen Masken erzielt
gute Ergebnisse, stellt jedoch hohe Ansprüche an die Probanden/
Probandinnen (Huettel, 2004). ... 79
Abbildung 42: Abhängigkeit des SNR von der Magnetfeldstärke im Vergleich mit
anderen Parametern, wie der MR-Signalintesität. Es wird gezeigt, dass das
SNR nicht beliebig mit der Magnetfeldstärke gesteigert werden kann
(Huettel, 2004). ... 80
Abbildung 43: Aufnahme des MRT Signals in Ruhe- (II) und Reizphase (I). Nach
der Datenaufnahme können die Beiträge der Voxel analysiert werden.
Beobachtet wird das Signalverhalten der Voxel i bzw. ii in den
Stimulationsphasen (Gore, 2003)... 82
Abbildung 44: Zeitaufgelöste MRI Aufnahmen des Gehirns bei visueller
Stimulation. Ein bei Dunkelheit aufgenommener Datensatz (baseline) wird
von den folgenden Datensätzen in der OFF-Phase (Dunkelheit) und der ON-
Phase (Stroboskop bei 8HZ) subtrahiert. Die hellen Punkte zeigen Voxel mit
erhöhtem BOLD-Signal. Die aktivierten Voxel korrelieren räumlich mit der
Lage des visuellen Kortex (Belliveau, 1992)... 83
Abbildung 45: Statistische Karte einer Untersuchungsgruppe. Der Reiz besteht aus
verschiedenen Greifbewegungen. Diese Darstellung beinhaltet: Analyse der
aktivierten Voxel. Metalltemperaturfarbskala: Voxel der höchsten
wahrscheinlichen Aktivität werden weißglühend dargestellt. Die gemittelten
funktionalen Daten werden einem Standardgehirn des Montréal
Neurological Institut (MNI) überlagert. Die T
1
-Darstellungen zeigen a) eine
sagittale, b) axiale c) coronale Schnittebene. In d) sind die erwarteten
Kontrastwerte auf die unterschiedlichen Stimuli abgebildet (Bengliomini,
2007). ... 88
Abbildung 46: Die Verbindung zwischen neuronaler Aktivität zum BOLD-Signal
ist indirekt. Die Erforschung der physiologischen Prozesse (2&3) ist
notwendig für die Interpretation der BOLD-Antwort (Arthurs & Boniface,
2002). ... 91
Abbildung 47: (A) Aktivierung des primär motorischen Kortex (M1) durch
alternierende Kontraktionsaufgabe der contralateralen Hand (B). Die hellen
Pixel (siehe Pfeil) zeigen eine signifikante Änderung der Signalintensität
(SI). ... 97
Abbildung 48: Umriss der statistisch erzeugten motorischen Areale: Primär-
motorischer Kortex (M1), supplementär motorische Kortices (SMA proper,
pre-SMA), prämotorische Kortices (PMd, PMv), Primär-sensible Areale
(S1)... 100
Abbildung 49: Mögliches Schema der ipsilateralen Kontrolle im Kindes-,
Erwachsenenalter und durch Läsion von Nervengewebe im Gehirn. Im
Kindesalter (childhood) sind der primär-motorische Kortex (M1) und der
prämotorische Kortex (PM) gleichermaßen an der ipsilateralen Kontrolle
0 comments