fMRT: Funktionelle Magnetresonanztomographie

Neuroscience

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Summary

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).

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der Neurowissenschaften. fMRT: Funktionelle Magnetresonanztomographie. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

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!

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