Multimodale Zusammenhänge der Plastizität des menschlichen Gehirns mit PET/MR

Hintergrund: Neuronale Plastizität ist die Fähigkeit des Gehirns sich kontinuierlich an neue Erfahrungen und erlernte Fähigkeiten anzupassen. Obwohl dies multiple Aspekte des Gehirns wie Struktur, Funktion und Metabolismus betrifft sind dessen direkte Interaktionen weitgehend ungeklärt. In diesem Projekt werden mittels modernster Technik im Bildgebungsbereich neue ZusammenhängezwischenverschiedenenEbenender Neuroplastizität erforscht. Hypothesen: Im Vergleich zu einer Kontrollgruppe führt das gezielte Training einer kognitiven Aufgabe zu Veränderungen im Gehirn betreffend Struktur (Nervenzellen inkl. Fortsätze), Funktion (neuronale Aktivierung und Verbindungen) sowie Zuckerstoffwechsel. Darüber hinaus gibt es spezifische Zusammenhänge zwischen diesen neuroplastischen Veränderungen der verschiedenen Bildgebungsmethoden. Projektdesign: 40 gesunde ProbandInnen werden zu Beginn und 4 Wochen später mittels simultaner PET/MR Bildgebung gemessen. Während dieser Messungen wird eine kognitiv herausfordernde Aufgabe durchgeführt, wobei die Kontrollgruppe (20 ProbandInnen) die Aufgabe zusätzlich während der 4 Wochen trainiert. Methoden: Strukturelle und funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) wird simultan mit Positronenemissionstomographie(PET) gemessen.Ein neu entwickeltes PET Messprotokoll ermöglicht hierbei die Messung des Zuckerstoffwechsels während der Aufgabe. Neuroplastizität wird bezüglich der Hirnstruktur (graue und weiße Substanz der Nerven), neuronaler Aktivierung und Zuckerstoffwechsel sowie ganzer Hirnnetzwerke berechnet. Weiters werden neue Zusammenhänge zwischen Struktur, Funktion und Metabolismus mittels multimodaler Auswertung bestimmt. Innovation und Relevanz: Die kombinierte Anwendung von simultaner PET/MR Bildgebung und aufgabenspezifischer Messung des Zuckerstoffwechsels ermöglicht die Erforschung von Hirnstruktur, Funktion und Metabolismus in einer einzigen Messung. Dies bietet wiederum optimale Sensitivität für die Bestimmung multimodaler Zusammenhänge. Neue Erkenntnisse, wie kognitives Training die verschiedenen Aspekte des Gehirns beeinflusst, sind maßgeblich für die Therapie von Erkrankungen wie Depression, Demenz und traumatischen Hirnschädigungen, da diese mit Hilfe von kognitiven Bewertungen diagnostiziert werden. Angesichts der breiten Anwendung der hier verwendeten Bildgebungsmethoden für die Diagnose und Therapiekontrolle, bietet eine umfassende Erforschung der multimodalen Zusammenhänge wesentliche Vorteile für die Interpretation der Bildgebung in der klinischen Praxis. 1

Das Gehirn unterliegt einem ständigen Prozess der Adaptierung, um sich an Veränderungen der Umwelt anzupassen - bekannt unter dem Begriff Neuroplastizität. Lernen neuer Fähigkeiten ist ein Beispiel für neuroplastische Adaptierungen, wobei die zugrundeliegenden Mechanismen weitgehend ungeklärt sind. Für die Erforschung neuroplastischer Mechanismen wurden in diesem Projekt 41 gesunde Proband:innen eingeschlossen, die eine komplexe Aufgabe mit visueller Verarbeitung und motorischer Koordination erlernen. Bei den Studienteilnehmer:innen wurden zwei Messungen mit simultaner Bildgebung der funktionellen Positronenemissionstomographie (fPET) und funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) durchgeführt. Hierbei wurden zwei essentielle Aspekte der Hirnfunktion bestimmt. Da das Gehirn eine enorme Menge an Energie benötigt und diese über Glukose und Sauerstoff bezieht, wurde der Glukosestoffwechsel mit PET gemessen. Weiters wurden Verbindungen des Gehirns mit fMRT erfasst, da die Konnektivität zwischen Hirnregionen und Netzwerken eine wesentliche Rolle für die Hirnfunktion darstellen. In einer ersten Pilotstudie wurde das Messprotokoll optimiert, um eine robuste Identifikation von Veränderungen des Glukosestoffwechsels mit einem neuen Ansatz zu bestimmen. Die darauffolgende Anwendung dieser Technik zeigte, dass die erstmalige Durchführung einer kognitiven Aufgabe zu einem erhöhten Zusammenhang zwischen Glukosestoffwechsel und Konnektivität führt. Dies bedeutet, dass Verbindungen des Gehirns vom Energiestoffwechsel abhängig sind, was in dieser Studie Netzwerke der visuellen Verarbeitung und Aufmerksamkeit betraf. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden spezifische Veränderungen durch Lernen erforscht, wobei die Trainingsgruppe von 21 Proband:innen die Aufgabe regelmäßig über vier Wochen trainierte. Die Studie zeigte eine adaptierte Interaktion zwischen Netzwerken der Salienz und visueller Verarbeitung nach der Lernphase. Im Detail waren generelle Veränderungen abhängig vom Glukosestoffwechsel, was auf stärkere synaptische Verbindung zwischen Nervenzellen hindeutet. Andererseits waren Veränderungen während der eigentlichen Durchführung der Aufgabe abhängig von der Interaktion zwischen den genannten Netzwerken, was auf eine effiziente neuronale Repräsentation der Aufgabe hinweist. Dementsprechend zeigte die Kombination aus diesen beiden Veränderungen einen Zusammenhang mit der individuellen Leistung und dem Erfolg, die Aufgabe zu erlernen. Zusammenfassend ermöglichten die technologischen Entwicklungen dieses Projekts die Bestimmung neuroplastischer Mechanismen des menschlichen Gehirns, welche durch das Erlernen einer neuen kognitiven Fähigkeit hervorgerufen wurden. Die Studie zeigte, dass die Kommunikation zwischen Hirnregionen eng mit dem zugrundeliegenden Energiestoffwechsel gekoppelt ist und dass komplexe Adaptierungen beider Aspekte während des Lernprozesses entstehen. Da eine Vielzahl an neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen mit pathologischen Veränderungen des Energiestoffwechsels und Konnektivität einhergehen, könnten diese Ergebnisse auf lange Sicht neue Möglichkeiten bieten, um die kognitiven Defizite solcher Erkrankungen besser zu verstehen.