Neuropsychologie (Subject) / V05_fMRT1 (Lesson)

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• Funktionelle Methoden: Was tun sie? Welche gehören dazu? Messen Hirnaktivität während der Ausführung kognitiver Aufgaben (Tasks) Einzelzellableitung  Elektroenzephalographie (EEG)  Magnetenzephalographie (MEG)  Positronen-Emissions-Tomographie (PET)  funktionelle Magnetresonanztomograhie (fMRT) 
• Ziel funktioneller Methoden –Erfassung des neuronalen Korrelats kognitiver Prozesse  –Messung von Hirnaktivität im Zusammenhang mit einem Ereignis 
• Wozu muss der für das fMRT benötigte Mechanismus imstande sein? Zur Änderung des MR-Kontrastes führen,  neuronale Aktivität widerspiegeln 
• Methoden mit räumlicher Auflösung im Kolumnen-/Neuronen-/Dendritenbereich Einzelzellableitung Multi-unit-recording
• Methoden mit schlechterer räumlicheren Auflösung (eher im Areals-/Ganzhirnbereich, als im Neuronenbereich/mm-Bereich) PETFunktionale MRT TMSMEG & EKP Naturally occuring lesions
• zeitl. Auflösung im Millisekundenbereich bei welchen Methoden? Multi-unit-recording, MEG& EKP, TMS (teilweise)
• Eher schlechtere zeitl. Auflösung besitzen welche Methoden? PET, Funktionelle MRT,Einzelzellableitung, Naturally occuring lesions 
• Grundlagen des fMRT: Frühe Vermutungen frühe Vermutungen zum Zusammenhang zwischen Blutfluss und Hirnaktivität durch den italienischen Physiologen Angelo Mosso  --> nach seinen Annahmen müsste allerdings das Blutvolumen steigen bei kognitiver Aktivität, was nicht oder kaum der Fall ist 
• Hirnaktivität und Blutfluss: - FUNKTION des Blutflusses - Über welche Teile im Hirn wird die Funktion ausgeführt? - Einfluss auf Architektur des Hirns Gehirn verbraucht viel Energie, die durch das vaskuläre System bereitgestellt werden muss:  Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid in den Körperzellen über Kapillaren  •Abtransport des Desoxyhämoglobins (sauerstoffarmes Hämoglobin) über das Venensystem  •Jede Zelle des Körpers liegt in weniger als 50 μm Entfernung von einer Kapillare 
• Wie funktioniert der Blutfluss im Gehirn? Sauerstoff bindet an Hämoglobin-Moleküle in den roten Blutkörperchen, Transport zu den Zellen über das arterielle System 
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• Wie viel Blut pro Minute im Hirn? Womit versorgt das Blut das Hirn? Welchen Anteil des gesamten Blutflusses im Körper haben wir hier ? 1) ca. 800 ml Blut versorgen das Gehirn jede Minute2) mit Sauerstoff und Glukose  3) Das entspricht 15 bis 20 % des Blutflusses im gesamten Körper (Gehirn verbraucht 20 % des Sauerstoffs, macht aber nur 2 bis 3 % des Gewichts aus) 
• Definition Blutfluss transportiertes Blutvolumen pro Zeiteinheit 
• Wovon hängt Blutfluss ab? hängt ab von Blutdruck und Widerstand des Blutgefäßes, welcher wiederum vom Radius des Blutgefäßes abhängt 
• Wozu führt eine Verdopplung des Radius des Blutgefäßes? hat einen 16-fach erhöhten Blutfluss zur Folge 
• Wie beeinflusst Neurone Aktivität den lokalen Blutfluss? Wieso geht man davon aus, dass auch andere Mechanismen eine Rolle spielen? Neuronale Aktivität erhöht den lokalen Blutfluss, u.a. durch den Einfluss vasoaktiver Substanzen --> Erweiterung der Arterien   Andere Mechanismen jedoch auch noch eine Rolle, da auch entferntere, weiter oben in der Hierarchie liegende Arterien Veränderungen zeigen 
• Studie von Ngai et al. (1988): Zusammenhang lokale Hirnaktivität und Blutfluss bei Ratten: Aufbau und Verlauf des Signals in der stimulierten Region –20 s somatosensorische Stimulation der Hinterbeine  –Durchmesser der Blutgefäße steigt schnell an, erreicht nach 5,5 s einen Höchstwert („peak“)  –danach Abfall und Plateau ca. 10 % über der Baseline bis zum Ende der Stimulation 
• Studie von Ngai et al. (1988): Zusammenhang lokale Hirnaktivität und Blutfluss bei Ratten: Effekte Effekte neuronaler Aktivität lokal begrenzt (Durchmesseränderung nur für Hinterbeinregion)  aber: Erweiterung der Blutgefäße findet sich auch entfernt von neuronaler Aktivität somatosensorisches Areal  für die Vorderbeine wird auch leicht erweitert--> Einschränkung der räumlichen Auflösung
• Grundlage des fMRT-Signals – Drei Kontrastmechanismen Änderung des Blutvolumens Änderung des BlutflussesÄnderung des Sauerstoffgehalts des Bluts 
• fMRT: Kontrastmechanismus : Änderung des Blutflusses (Prinzip) Prinzip: angeregte Spins in einer Schicht fließen in eine andere Schicht, in der das Signal gemessen wird  kompliziertes Verfahren 
• fMRT: Kontrastmechanismen: Änderung des Blutvolumens funktioniert wie? Nachteil? - paramagnetische Substanzen werden von einem Magnetfeld angezogen  - injiziert als exogene Kontrastmittel können sie lokale Veränderungen des Blutvolumens anzeigen  - Sie beeinflussen das umliegende Magnetfeld und führen dazu, dass die Protonen in der Umgebung unterschiedlichen Feldstärken ausgesetzt sind  •unterschiedliche Frequenzen der Präzessionsbewegung der Spins  •schnellere Dephasierung  •kürzere T2*-Zeit  –Nachteile: Schneller Abbau, z.T. mehrere Injektionen notwendig 
• Signal basierend auf Sauerstoffgehalt des Bluts: Was fanden Linus Pauling und sein Student Charles Coryell wann raus? Der amerikanische Chemiker und Nobelpreisträger Linus Pauling und sein Student Charles Coryell entdeckten 1936, dass Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin (sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut) unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben 
• Wie hoch ist die magnetische Suszeptibilität (Definition) von Desoxyhämoglobin? Wozu führt dies? Definition: i.e. Magnetisierung in einem magnetischen Feld eine um 20% erhöhre magnetische Suszeptibilität 
• Wozu führt die erhöhte magnetische Suszeptibilität von Desoxyhämoglobin? Als „endogenes Kontrastmittel“ beeinflusst sauerstoffarmes Blut das MR-Signal genau so wie ein paramagnetisches exogenes Kontrastmittel  Der Effekt ist jedoch viel schwächer 
• Was fand Thulborn et al. 1982 heraus? Der Zerfall der transversalen Magnetisierung (in XY-Richtung) – und damit das T2(*)-gewichtete MR-Signal – hängt vom Prozentsatz sauerstoffreichen Blutes ab 
• Der BOLD-EFFECT (ausgeschrieben) hat (k)einen Einfluss auf welche Relaxationszeit? Einfluss auf t2*-Relaxationszeit: je größer der Anteil von Oxyhämoglobin (Desoxyhämoglobin), desto größer (kleiner) ist die T2*-Relaxationszeit bzw. desto kleiner (größer) wird der Quotient 1/Relaxationszeit (s.o.)  kein Einfluss auf die t1-Zeit 
• Je mehr Anteil von Oxyhämoglobin, desto ..... wird die Relaxationszeit nach welcher Grafik? größer  -> Huettel et. al (Folie 13 von 36) 
• Arbeiten zum BOLD-Kontrast erstmalig von wem und wann? Ogawa et al.  1980er, frühe 90er 
• Bold-Kontrast OGAWA: Was genau haben sie WIE gemessen? Messung von Nagetieren in starkem Magnetfeld (größer/gleich 7 T)  –Sauerstoffgehalt der Atemluft und damit des Blutes wurde variiert –Signal der Blutgefäße spiegelt tatsächlich Sauerstoffgehalt wider  –> geringes Signal bei niedrigem Sauerstoffgehalt 
• Folgearbeiten von Ogawa und Kollegen zur Verifikation des Sauerstoffgehalt-Effekts: Röhren mit sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Blut in Salzwasser  –> Messung des MR-Signals mit einer Spin-Echo Sequenz und einer Gradienten-Echo       Sequenz (T2*-insensitiv vs. -sensitiv)  stärkster Signalverlust für T2*-sensitive Sequenz bei sauerstoffarmem Blut Inwiefern Signalverlust? Effekt geht über den eigentlichen Bereich sauerstoffarmen Bluts hinaus und beeinflusst das Signal in der Umgebung 
• Zusammenhang zwischen neuronaler Aktivität und dem T2*-Signal •Desoxyhämoglobin (sauerstoffarmes Blut) reduziert T2*-gewichtetes MR-Signal -> Neuronale Aktivität wiederum führt zur Erhöhung des Signals.
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• Erkläre den Initial-Dip und das Experiment dazu Malonek und Grinvald (1996)1) „Optical Imaging“ bei Katzen: von Cortex-oberfläche reflektiertes Licht spiegelt verschie-dene Moleküle wieder – u.a. sauerstoffreiches und -armes Blut  2) visuelle Stimulation spezifischer Areale 3) Vergleich der Stimulations-Effekte auf neuronale Aktivität und auf die Konzentrationen    sauerstoffreichen und –armen Bluts  Sauerstoffzufuhr in Areale mit erhöhter Aktivität-> Angebot übersteigt den Bedarf, wird erweitert in benachbarte Regionen-> sauerstoffreiches Blut ersetzt sauerstoffarmes, welches zum initialen Signal-Dip führt
• Wie sieht der typische Zeitverlauf des BOLD-Signals aus? (Folie 17, Abbildung) –Untersuchung der Reaktion auf einzelne visuelle Reize von 2 s Dauer  –auch kurze Reize verursachen eine Veränderung des MR-Signals  –Verzögerung von ca. 3.5 Sek zw. Stimulus und Signalspitze --> Typischer Zeitverlauf des BOLD-Signals  (Folie 17, Abbildung) 
• Was ist die Hämodynamische Antwortkurve? (4 Punkte) 1) typische Veränderung des MR-Signals im Zusammenhang mit neuronaler Aktivität ,  2) Die nicht als "DIE ABSOLUTE HRF" vorhanden ist, da sie 3) vielen Einflüssen unterliegt, zu denen Dauer und Intensität neuronaler Aktivität gehören4--> HRT läuft der neuronalen Aktivität "hinterher" 
• Welche 2 Dinge könnte das fMRT-Signal reflektieren? ist ein indirektes Maß und reflektiert neuronale Aktivität folgendermaßen:  1)  Einzelzell- und „Multi-Unit“ Aktivität  •Aktionspotentiale, die den „Output“ einer Hirnregion reflektieren 2) „Local Field Potentials“ (LFP)  •EPSPs und IPSPs (exzitatorische und inhibitorische postsynaptische Potentiale) , die den  „Input“ für eine Region reflektieren
• Definition räumliche Auflösung & Worin spiegelt sich die räumliche Auflösung wider? •räumliche Auflösung = Fähigkeit, Unterschiede zwischen benachbarten Lokalisationen zu entdecken  •spiegelt sich in der Voxelgröße wider 
• Wodurch wird die Voxelgröße festgelegt? 1) „Field of View“ = beschreibt die Größe des Bildgebungsbereichs innerhalb einer Schicht                               in cm  2) Matrixgröße: wieviele Voxel werden gemessen in jeder Dimension innerhalb einer Schicht? -> meist Anzahl 2hochN in jeder Richtung (z.B. 64 x 64 oder 256 x 256)  3) Schichtdicke 
• Wann spricht man von einem Isotopen Voxel? wenn die Schichtdicke der in plane-Voxelgröße entspricht
• räumliche Auflösung bei fMRT ist meist ..... als bei strukturellen Messungen geringer 
• Welche 2 Faktoren bewirken, dass die räumliche Auflösung bei fMRT kleiner ist als die beim MRT? 1) Signal-Rausch-Verhältnis 2) Akquisitionszeit
• Wieso ist das Signal bei der fMRT-Messung relativ klein? MR-Signal hängt ab von der Veränderung des Verhältnisses von sauerstoffarmem zu sauerstoffreichem Blut in einem Voxel –> relativ „kleines“ Signal 
• Je kleiner das Voxel, ...... desto geringer das Signal-Rausch-Verhältnis 
• Je höher die Auflösung, desto.. länger die Akquisitionszeit
• Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Akquisitionszeit und der ... Anzahl der Schichten 
• Definition Akquisitionszeit Dauer der Datenverarbeitung abhängig von der Größe der Auflösung 
• Räumliche Auflösung: Was ist das Problem mit der Größe der Voxel? Voxel dürfen nicht zu klein, aber auch nicht zu groß sein,  denn es drohen "Partial Volume Effects"
• Was sind „Partial Volume Effects“? Definition In jedem Voxel tragen mehrere Gewebetypen zum Signal bei, aus denen dann der Mittelwert gemessen wird. Dies führt zum Verlust des Signalkontrasts am Übergang verschiedener Gewebetypen -> Je größer die Voxel, desto größer Gefahr
• Wovon hängt die funktionelle bzw. tatsächliche räumliche Auflösung einer fMRT-Messung ab? von der räumlichen Korrespondenz zwischen neuronaler Aktivität und der vaskulären Reaktion ab 
• Was wissen wir bzgl. vaskulären Veränderungen? räumliche Ausdehnung beschränkt, geht jedoch über unmittelbaren Bereich neuronaler Aktivität hinaus es gibt intravaskuläre und extravaskuläre Effekte (Sauerstoffarmes Blut beeinflusst Signal im umliegenden Gewebe)
• Wenn man Repräsentation von Hand und Fuß im somatosensorischen Cortex mit Einzelzellableitung und fMRT misst, was ist das Ergebnis? fMRT-Signal-Bereich ist größer, obwohl es eine starke Übrlappung mit der Einzelzellableitung gibt 
• Wieso ist fMRT-Signal meist ausgebreiteter als das der Einzelzellableitung? Das fMRT-Signal kann aus Kapillaren kommen, die in der Nähe aktiver Neurone sind, oder aus weiter entfernten Blutgefäßen 

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