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fMRT: Funktionelle Magnetresonanztomographie

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Neuroscience

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fMRI: Functional Magnetic Resonance Imaging

1.8: The Morris Water Maze

1.15: An Introduction to Developmental Neurobiology

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09:15 min

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April 30, 2023

Overview

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist eine nicht-invasive bildgebende Technik, die verwendet wird, um die menschliche Gehirnfunktion und die Kognition bei gesunden Individuen und Populationen mit abnormen Gehirnzuständen zu untersuchen. Die funktionelle MRT verwendet ein Magnetresonanzsignal um Veränderungen im Blutfluss zu detektieren, die mit der neuronalen Aktivität gekoppelt ist, wenn eine bestimmte Aufgabe ausgeführt wird. Dies ist möglich, da Hämoglobin im Blut unterschiedliche magnetische Eigenschaften in Abhängigkeit davon hat ob es an Sauerstoff gebunden ist oder nicht. Wenn eine bestimmte Aufgabe ausgeführt wird, gibt es einen Zustrom von Sauerstoff angereichertem Blut in Gehirnregionen, die für diese Aufgabe verantwortlich sind und dieser Zustrom kann dann mit spezifischen MRT Parametern detektiert werden. Dieses Phänomen wird als Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) Effekt bezeichnet und kann verwendet werden, um Karten der Gehirnaktivität zu erstellen.

Dieses Video beginnt mit einem kurzen Überblick darüber wie das MRT und fMRT-Signal erhalten wird. Danach werden grundlegende Versuch-Designs besprochen, die zuerst die Aufstellung einer Reizdarbietung beinhaltet, die speziell entwickelt wurde, um die Funktion, die zugeordnet werden soll, zu testen. Als Nächstes werden die wichtigsten Schritte, die bei der Durchführung des fMRT-Scans involviert sind, präsentiert, darunter die Probandensicherheit und die Einrichtung des Scanners. Als Nächstes werden allgemeine Schritte, die für die Datenverarbeitung verwendete werden, präsentiert einschließlich der Vorverarbeitung und die statistische Analyse mit dem allgemeinen linearen Modell. Schließlich werden einige spezifische Anwendungen der fMRT besprochen, wie die Untersuchungen der abnormalen Funktion bei psychischen Störungen und die Kombination der fMRT mit komplementären bildgebenden Verfahren, wie die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI).

Procedure

Die funktionelle Magnetresonanztomographie oder fMRT ist nun ein weitverbreitetes nervenbildgebendes Verfahren für die Untersuchung der Funktion des menschlichen Gehirns und die Kognition. Die fMRT kann verwendet werden, um sowohl die normale Gehirnfunktion als auch abnormale oder erkrankte Gehirnzustände zu untersuchen.

Dieses Verfahren nutzt starke Magneten, um Karten der Gehirnaktivität durch den Nachweis von Veränderungen im Blutfluss, die mit der neuronalen Aktivierung gekoppelt sind, zu erstellen. Dieses bildgebende Verfahren hat hervorragende räumliche und gute zeitliche Auflösung und ist nicht invasiv, da es keine Injektionen erfordert oder das Aussetzten der Probanden gegenüber ionisierender Strahlung beinhaltet.

Dieses Video wird behandeln, wie das fMRT-Signal erhalten wird, das grundlegende experimentelle Design, die fMRT Erfassung, sowie grundlegende Datenverarbeitung.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie oder fMRT ist nun ein weitverbreitetes nervenbildgebendes Verfahren für die Untersuchung der Funktion des menschlichen Gehirns und die Kognition. Die fMRT kann verwendet werden, um sowohl die normale Gehirnfunktion als auch abnormale oder erkrankte Gehirnzustände zu untersuchen.

Dieses Verfahren nutzt starke Magneten, um Karten der Gehirnaktivität durch den Nachweis von Veränderungen im Blutfluss, die mit der neuronalen Aktivierung gekoppelt sind, zu erstellen. Dieses bildgebende Verfahren hat hervorragende räumliche und gute zeitliche Auflösung und ist nicht invasiv, da es keine Injektionen erfordert oder das Aussetzten der Probanden gegenüber ionisierender Strahlung beinhaltet.

Dieses Video wird behandeln, wie das fMRT-Signal erhalten wird, das grundlegende experimentelle Design, die fMRT Erfassung, sowie grundlegende Datenverarbeitung.

Wie alle wissenschaftlichen Experimente beginnen die für die fMRT, indem eine Hypothese aufgestellt wird. Danach sollte ein Reizdarbietungsmuster oder Paradigma entwickelt werden, um die Gehirnfunktion von Interesse zu testen. Die Designs können sich von einem einfachen Block Paradigma, welches einen verlängerten Zeitraum der Reizexposition enthält, bis zu einem komplexeren ereignisbezogenen Design, in dem Reize kurz vorgestellt werden und über dem Verlauf der Untersuchung verteilt sind, erstrecken.

Geeignete Scan-Parameter, die für den Versuchsentwurf funktionieren, müssen auch ausgewählt werden, mit Hilfe einer MRT-Sequenz, die empfindlich zum BOLD-Signal ist.

Vor dem Ausführen eines Experiments am Menschen, ist die Zustimmung einer Ethikkommission oder eines Institutionsüberprüfungsausschusses erforderlich. Danach können entsprechende Studienteilnehmer rekrutiert werden.

Vor dem Scannen müssen Probanden zunächst für die MRT-Sicherheit untersucht werden und alle Teilnehmer mit MRT Kontraindikationen, wie das Vorhandensein eines Herzschrittmachergerätes, müssen ausgeschlossen werden. Eine schriftliche Einverständniserklärung muss auch eingeholt werden und alle metallischen Gegenstände müssen vom Körper des Patienten entfernt werden.

Als Nächstes sollte die Art des Experiments und die funktionellen Aufgabenrichtungen überprüft werden, da die Leistung des Probanden entscheidend für robuste Ergebnisse ist.

Im Scanner-Raum sollte ein Gehörschutz bereitgestellt werden, bevor die Kopfspule mit Polsterung auf den Kopf, um die Bewegung zu reduzieren, platziert wird. Die Ausrüstung für die Reizdarbietung muss auch eingerichtet werden. Brillen oder Projektor Systeme werden häufig zur visuellen Darstellung verwendet aber andere Arten von Geräten für die Reizdarbietung sind vorhanden.

Sobald der Proband komfortabel ist, wird das Scanner-Bett in die Magnetröhre geschickt. Danach werden die Bildsequenzen aufgebaut einschließlich eines hochauflösenden anatomischen Scans, um die funktionalen Scans zu registrieren.

Der Proband sollte auf die Aufgabeninstruktionen erinnert werden und die Funktionsübernahme muss mit dem Start des Aufgaben Paradigma synchronisiert werden. Dies ist kritisch, da das Aufgabentiming mit dem Bildaufnahmezeitpunkt für genaue BOLD Messungen übereinstimmen muss.

Der Proband sollte während des Scans überwacht werden und zusätzliche funktionelle Durchläufe werden bei Bedarf durchgeführt. Schließlich wird der Proband aus dem Scanner und aus dem Scanner-Bett geholfen.

Das spezifische Bildverarbeitungsverfahren und Softwarepaket, das verwendet wird, hängt von dem Versuch ab. In diesem Video gehen wir über allgemeine BOLD Funktionen basierend auf den Verarbeitungsmethoden.

Erstens, die fMRT-Daten sollten vorverarbeitet werden, um Bildartefakte zu entfernen und für die statistische Analyse vorbereitet werden. Dies beinhaltet Slice Time Correction und Bewegungskorrektur sowie die Zusammenführung zum anatomischen Bild.

Für Gruppenstudien wird oft auch eine Normalisierung auf eine Standard-Template-Fläche durchgeführt, sodass die Gehirnareale und Raumkoordinaten zwischen den Probanden verglichen werden können.

Sobald die Daten vorbereitet sind, wird eine statistische Analyse durchgeführt, um Regionen mit signifikantem MR-Signal zu lokalisieren, die mit dem Reiz oder der kognitiven Funktion, die getestet wurde, korrelieren. Das allgemeine lineare Modell wird normalerweise verwendet, um aufgabenbasierte Experimente zu analysieren. Dieses Modell geht davon aus, dass ein BOLD-Signal erhalten wurde, welches zur erwarteten hämodynamischen Antwortfunktion passt und diese Funktion wird mit dem Reiz-Design verknüpft.

Schließlich wird ein statistischer Grenzwert ausgewählt, um die Ergebnisse auszuwerten, die typischerweise als eine statistische Parameterkarte angezeigt wird, unter der Verwendung einer farbcodierten Skala, um statistisch signifikante Anteile des Bildes zu zeigen, die “Voxels” genannt werden und als 3D-Pixel betrachtet werden können. Weitere Analysen kann je nach Bedarf durchgeführt werden.

Da wir nun eingeführt haben, wie ein fMRT Experiment aufgebaut, ausgeführt und analysiert wird, wollen wir einen Blick auf einige spezifische Anwendungen dieses Verfahrens werfen. Die fMRT wird verwendet, um ein Verständnis der “normalen” menschlichen Gehirnfunktion und Kognition wie die Bewegung, die Sehkraft und die Sprachverarbeitung, um mal einige zu nennen, zu erhalten. Obwohl dies scheinbar grundlegende Funktionen sind, gibt es noch viel über diese und viele andere kognitive Prozesse zu lernen.

Darüber hinaus kann die fMRT verwendet werden, um die Funktion des Gehirns in erkrankten Gehirnzuständen und bei psychischen Störungen zu untersuchen. Es gibt viele aktive Forschungsgebiete wie Angststörungen, posttraumatische Belastungsstörungen, Autismus und Demenz.

Die fMRT kann auch mit anderen MR-Verfahren oder andere Arten der Bildgebung kombiniert werden, um Gehirnfunktionen zu untersuchen, wie die Diffusions-Tensor-Bildgebung, Elektroenzephalographie oder “EEG” und selbst die transkranielle Magnetstimulation oder ‘TMS’.

Es gibt auch Ruhezustand fMRT Analysetechniken, die verwendet werden können, um funktionelle Konnektivität zu untersuchen, wie die unabhängige Komponentenanalyse und die Kreuzkorrelationsanalyse.

Das war das JoVE Video zur funktionellen MRT. Dieses Video behandelt, wie das fMRT-Signal erhalten wird, das allgemeine fMRT Test-Design, fMRT Akquisition, BOLD fMRT Datenverarbeitung und Anwendungen.

Wir haben gelernt, dass die fMRT ein robustes und nicht-invasives bildgebendes Verfahren ist, das verwendet werden kann, um viele Aspekte der menschlichen Gehirnfunktion und Kognition zu erforschen.

Danke für das Aufpassen, viel Erfolg bei den Experimenten und denkt daran, dass MRT-Sicherheit immer Vorrang hat!

Transcript

Functional magnetic resonance imaging, or fMRI, is a now a widely used neuroimaging method for investigating human brain function and cognition. fMRI can be used to investigate both normal brain function and abnormal or diseased brain states.

This method makes use of strong magnets to create maps of brain activity by detecting changes in blood flow that are coupled to neuronal activation. This imaging technique has excellent spatial and good temporal resolution, and is noninvasive, since it does not require injections or involve exposing subjects to ionizing radiation.

This video will cover how fMRI signal is obtained, basic experimental design, fMRI acquisition, as well as basic data processing.

First, let’s take a look at how magnetic resonance imaging works. Essentially, MRI machines, or “scanners” are very strong electromagnets, typically 1.5 – 3 tesla (T), that use the magnetic properties of tissue in the body to create pictures.

When a patient or study participant is outside of the scanner, the hydrogen nuclei belonging to water molecules in tissue spin in a disordered fashion. When a magnetic field is applied, they become more ordered. When the subject within the magnetic field is exposed to oscillating radio frequency pulses, the angle of spinning nuclei transition from state to state and give off a signal read by the scanner to produce an image.

Functional MRI is possible because the hemoglobin within our blood has different magnetic properties depending on whether or not it is bound to oxygen. When de-oxygenated, it is “paramagnetic,” meaning that it causes a field inhomogeneity, or a slight disruption in the local magnetic field, that decreases the magnetic resonance signal obtained from surrounding tissue.

Taking advantage of this phenomenon, brain activation can be measured based on the how blood flow responds to neuronal activation. When neurons fire, their increased metabolism results in an influx of oxygenated blood, resulting in a decrease in the amount of deoxygenated hemoglobin in the region.

This results in more signal in the area surrounding the active neurons due to decreased inhomogeneity, and is referred to as Blood Oxygenated Level Dependent, or BOLD, signal.

The plot of the MRI signal, called the hemodynamic response function, looks like this, with the signal intensity in a region increasing after neuronal activation.

The scanner can be set up to image for this phenomenon using an image sequence sensitive to blood oxygenation. The entire brain volume needs to be imaged every few seconds, to capture the timing of the BOLD effect.

Like all scientific experiments, those involving fMRI begin by establishing a hypothesis. Then, a stimulus presentation pattern, or paradigm, should be designed to test the brain function of interest. Designs can range from a basic block paradigm, containing extended periods of stimulus exposure, to a more complex event-related design, in which stimuli are presented briefly and spaced out over the course of the trial.

Appropriate scan parameters that will work for the experimental design also need to be selected, using an MRI sequence sensitive to BOLD signal.

Before running any experiment on human subjects, approval from an ethics or institutional review board is required. Then, appropriate study participants can be recruited.

Before the scan, subjects must first be screened for MRI safety, and any participants with MRI counter-indications, like the presence of a cardiac pacemaking device, must be excluded. Written and informed consent must also be obtained, and all metallic items must be removed from the subject’s body.

Next, the nature of the experiment and the functional task directions should be reviewed, as subject performance is critical for robust results.

In the scanner room, hearing protection should be provided before placing the head coil with padding around the head to reduce motion. The stimulus presentation equipment also needs to be set up. Goggle or projector systems are often used for visual presentation, but other types of stimulus delivery equipment exist.

Once the subject is comfortable, the scanner bed is sent into the magnet bore. Then, the imaging sequences are set up, including a high-resolution anatomical scan to reregister to the functional scans.

The subject should be reminded of the task instructions, and the functional acquisition needs to be synchronized with the start of the task paradigm. This is critical, as the task timing needs to be matched with image acquisition timing for accurate BOLD measurements.

The subject should be monitored during the scan, and additional functional runs performed if necessary. Finally, the subject is helped out of the scanner and off the scanner bed.

The specific image processing method and software package used will vary depending on the experiment. In this video, we will go over common BOLD task based processing methods.

First, fMR data should be pre-processed to remove image artifacts and prepare it for statistical analysis. This involves slice time correction and motion correction, as well as co-registration to the anatomical image.

For group studies, normalization to a standard template space is often performed as well, so the brain areas and spatial coordinates can be compared across subjects.

Once data is prepped, statistical analysis is performed to locate regions with significant MR signal correlated with the stimulus or cognitive function that was tested. The general linear model is typically used to analyze task-based experiments. This model assumes that a BOLD signal was obtained that matches the expected hemodynamic response function, and convolves this function with the stimulus design.

Finally, a statistical threshold is selected to review results, which are typically displayed as a statistical parametric map, using a color coded scale to indicate statistically significant units of the image called “voxels,” which can be considered 3D pixels. Further analysis can be performed as needed.

Now that we’ve introduced how an fMRI experiment is designed, run, and analyzed, let’s look at some specific applications of this method. fMRI is used to gain understanding of ‘normal’ human brain function and cognition, such as motor, visual, and language processing, to name a few. Although these are seemingly basic functions, there is still much to be learned about these and many other cognitive processes.

In addition, fMRI can be used to investigate brain function in diseased brain states and psychological disorders. There are many active areas of research such as anxiety disorders, posttraumatic stress disorder, autism, and dementia.

fMRI can also be combined with other MR techniques or other types of imaging to further investigate brain functions, such as diffusion tensor imaging, electroencephalography or ‘EEG,’ and even transcranial magnetic stimulation, or ‘TMS.’

There are also resting state fMRI analysis techniques that can be used to investigate functional connectivity, such as independent component analysis and cross correlation analysis.

You’ve just watched JoVE’s video on functional MRI. This video covered how fMRI signal is obtained, basic fMRI study design, fMRI acquisition, BOLD fMR data processing, and applications.

We’ve learned that fMRI is a robust and non-invasive imaging technique that can be used to investigate many aspects of human brain function and cognition.

Thanks for watching, good luck with your experiments, and remember that MRI safety always comes first!

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