Funktionelle Bildgebung: Wie tickt unser Gehirn?

Unser Gehirn ist unsere Kommandozentrale. Hier werden alle Informationen und Eindrücke gesammelt und zu Reaktionen und Bewegungen umgewandelt. Einen Blick ins Innere dieser menschlichen Nervenzentrums verschaffen sich Ärzte und Forscher dank moderner Bildgebungsverfahren. Mithilfe der funktionellen Variante können sie unserem Kopf bei der Arbeit zusehen.

Ein Mensch hat etwa 100 Milliarden Gehirnzellen, die untereinander verknüpft sind und zusammen das zentrale Nervensystem bilden. Die Zahl dieser Verknüpfungen wird auf etwa 100 Billionen geschätzt. Das Hirn ist somit das komplexeste und komplizierteste Organ, das es in der Natur gibt.

Seit Jahrhunderten versuchen Forscher zu verstehen, wie unsere Schaltzentrale aussieht, was sich dort abspielt und wie sie funktioniert. Bildgebende Verfahren sind für die Grundlagenforschung von enormer Bedeutung, denn sie verschaffen einen Blick ins Innere des Körpers. Ebenso sind sie aus der Diagnostik nicht mehr wegzudenken. Um die Struktur des Gehirns genauer unter die Lupe zu nehmen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei einer Computertomographie (CT) kommen Röntgenstrahlen zum Einsatz, deren Durchtritt durch den Kopf eines Patienten dank eines Scanners registriert wird. Da die Absorption der Strahlen unterschiedlich ist, können einzelne Strukturen des Gehirns voneinander unterschieden werden. Sichtbar werden Schädelknochen, Hirngewebe, Häute sowie Blutgefäße. Ein Pluspunkt: Eine CT-Untersuchung kann schnell ohne lange Vorbereitungszeit durchgeführt werden und ist somit in der Notfallmedizin besonders wertvoll.

Bei der Darstellung von kleineren Verletzungen oder Veränderungen kommt die CT jedoch an ihre Grenzen, dann ist eine Magnetresonanztherapie (MRT) das geeignetere Verfahren. Die MRT-Bilder sind sehr detailgenau, sodass auch kleine strukturelle Veränderungen nachgewiesen werden können.

Doch auch, wenn die Experten wissen, wie ein Gehirn aussieht - wie funktioniert es eigentlich? In unserem Kopf sammeln sich allerlei Informationen, Empfindungen und Eindrücke: Wir sehen eine Blume, riechen frischgebackenes Brot, formen die Hand zu einer Faust – all diese Vorgänge aktivieren bestimmte Hirnareale und sorgen dafür, dass an diesen Orten Energie verbraucht wird.

Mittels funktioneller Bildgebungsmethoden kann das arbeitende Gehirn sichtbar gemacht werden. Der wichtigste Faktor hierbei: Die Stoffwechselaktivität des Nervensystems. Um diese zu sehen, können sich Experten unterschiedlicher Herangehensweisen, bei denen verschiedene physikalische Methoden zum Einsatz kommen, bedienen: Häufig zur Untersuchung des Herzens genutzt, bietet sich Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) auch zur neuronalen Diagnostik an. Mit ihrer Hilfe lassen sich Alzheimer, Epilepsie oder auch die Parkinson-Krankheit erkennen (weitere Geräte zur neurologischen Diagnostik im Katalog der MEDICA 2018).

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wird im Vergleich deutlich häufiger zu Rate gezogen. Es handelt sich um ein invasives Verfahren, bei welchem dem Patienten ein radioaktives Kontrastmittel gespritzt wird, das auf Hirnebene ebenfalls Stoffwechselvorgänge sichtbar machen kann. Die gebräuchlichsten Methoden: Messung des Blutflusses (O-PET) und die des Glukosestoffwechsels. Die O-PET-Methode wird meist als sog. Subtraktions-Methode angewandt, bei der die Blutflussverteilung während eines Hirnzustands (z.B. eine Lernaufgabe ohne verzögerte Reizdarbietung) von der während eines anderen Hirnzustands (z.B. eine Lernaufgabe mit verzögerter Reizdarbietung) abgezogen wird. Die resultierende Aktivität spiegelt dann die Hirnaktivität auf bestimmte Aufgabenaspekte (z.B. Verzögerungszeit) wider. Sowohl SPECT als auch PET können in Kombination mit CT eingesetzt werden. 

Für eines der wichtigsten Verfahren war auch die Magnetresonanztherapie von entscheidender Bedeutung, denn neben den strukturellen MRT-Aufnahmen ist das Gerät auch in der Lage, funktionelle Hirnprozesse abzubilden. Die Energie, die bei Handlungen freigesetzt wird, gelangt in Form von Sauerstoff und Zucker über die Blutgefäße zu den Nervenzellen und wird dort schließlich verbrannt. Dieses Ereignis nutzt die funktionelle Magnetresonanztomographie – kurz fMRT -, indem sie den jeweiligen Sauerstoffgehalt der roten Blutkörperchen sichtbar macht. Das geschieht mithilfe des sogenannten „BOLD“-Effekts (Blood Oxygen Level Dependent): Von einem hohen Sauerstoffgehalt wird auf aktive Hirnzellen an dem jeweiligen Ort geschlossen. Mit dieser Methode wird das "Feuern" der Neuronen in statischen Bildern gezeigt. Um die Aktivierungsintensität zu klären, wird eine Farbskala von gelb (starke Aktivierung) bis rot (schwächere Aktivierung) genutzt. Sobald im Hintergrund das anatomische MRT-Bild eingeblendet ist, ist eine genaue Zuordnung der Nervenzell-Tätigkeit zu einer bestimmten anatomischen Region möglich.

In der Praxis wird die nicht-invasive fMRT neben ihrer Aussagekraft auch wegen des Preis-Leistungsverhältnisses der PET-Untersuchung vorgezogen. Diese ist vergleichsweise teurer und bringt doch eine geringe Strahlenbelastung für den Patienten mit sich. Ein Minuspunkt beider Verfahren: Die neuronalen Aktivierungen werden lediglich durch die zu sehenden Stoffwechselaktivitäten und somit indirekt gemessen. Sie sind deutlich langsamer als das arbeitende Gehirn. Neuronale Prozesse spielen sich im Millisekundenbereich ab, aber fMRT sowie PET brauchen mehrere Sekunden für jede einzelne Aufnahme des Gehirns, aus denen dann ein gesammeltes Bild entsteht. Schnellere Methoden, neuronale Aktivität zu messen, sind die aus der Medizin bekannte Elektroenzephalographie (EEG) und die verwandte Magnetenzephalographie (MEG); ein Nachteil dieser zeitlich sehr gut auflösenden Verfahren ist aber eine schlechtere räumliche Lokalisation der Prozesse im Gehirn.

PET und fMRT eignen sich dafür, um unterschiedliche Hirnmechanismen zu erkunden und Sprach- sowie Bewegungsregionen zu bewerten. Hier kommt oft ein aufgabenbezogenes fMRT zum Einsatz, bei dem der Patient Anweisungen befolgen oder auch kognitive Aufgaben lösen muss. So kann eine sehr präzise Lokalisierung der aktiven Hirnareale erzielt werden. Erfolge gab es auch auf anderen Ebenen der Hirnforschung. So konnte dank fMRT gezeigt werden, dass das Gehirn auch illusionäre Wahrnehmung statt der Realität verarbeitet. Bei der sogenannten cutaneous rabbit-​Illusion nehmen Probanden eine Berührung wahr, die tatsächlich gar nicht stattfindet. Ein weiteres Beispiel ist der Phantomschmerz nach der Amputation eines Körperteils. Dank einer fMRT-Studie, an der Amputationpatienten mit und ohne Phantomschmerz teilnahmen, können sie die Empfindungen der Menschen sehen und so auch die Mechanismen, die den Phantomschmerz verursachen, besser verstehen. Denn die Aktivität, die zum Beispiel bei der Wahrnehmung einer Phantomhand im Gehirn entsteht – genauer: im sogenannten somatosensorischen Cortex –, ähnelt der Wahrnehmung einer echten Hand sehr. Für das Gehirn ist die amputierte Hand in diesem Fall quasi noch vorhanden. Bildgebende Verfahren konnten diese Empfindungen also erstmals objektiv nachweisen. Diese Erkenntnisse können sowohl in der Psychologie als auch in der physischen Medizin von Bedeutung sein und sind wichtige Wegweiser für neue Therapiemethoden, die mit reiner struktureller Bildgebung nicht erzielt worden wären. Aber auch während der Behandlung eines Patienten helfen sie. "Hauptsächlich wird die fMRT in der präoperativen Kartierung der Großhirnrinde sowie zur Bestimmung der Lateralisierung von Sprachgebieten eingesetzt, zum Beispiel bei Patienten mit Epilepsie", erklärt Dr. Alexander Smirnov von der Neuroradiologische Abteilung des "N.N. Burdenko National Medical Research Center of Neurosurgery" in Moskau im Interview mit MEDICA.de.

Trotz einiger Schwächen sind die funktionellen Bildgebungsverfahren eine fundamentale Stütze. Sie ermöglichen behandelnden Ärzten den Blick fürs Ganze. Denn Struktur allein reicht nicht. Man muss die Funktionsweise verdeutlichen, verstehen und im weiteren Vorgehen verarbeiten, um so dem Patienten die bestmögliche Rundum-Versorgung mit Diagnose, Therapie und Nachsorge zu bieten. Gleiches gilt für die Forschung. Auch in der Zukunft werden die Verfahren mit Sicherheit eine wichtige Rolle spielen, um die Behandlung von psychischen und körperlichen Störungen zu optimieren.