Multimodale Bildgebung des Hirnstamms mittels MRT

Der Hirnstamm nimmt eine wichtige Rolle im zentralen Nervensystem ein, unter anderem überträgt er Signale von Groß- und Kleinhirn in den Rest des Körpers. Seine Integrität ist von besonderer Bedeutung für Motorfunktion, Lebensqualität und Lebenserwartung bei altersbedingten Erkrankungen, wie der Parkinson-Krankheit. Sie ist eine neurodegenerative Erkrankung, die Mittelhirn- und Hirnstammstrukturen betrifft und zu Muskelsteifheit, Muskelzittern, Sprech- und Gehschwierigkeiten führt. Bei manchen Patienten lassen sich die Symptome Medikamentös lindern, viele leiden jedoch letztendlich unter einem allgemeinen Rückgang der motorischen Funktionen. Die Tiefenhirnstimulation stellt eine wirksame Behandlungsoption für viele Parkinson-Patienten dar, bei denen Medikamente keine Wirkung zeigen. Ein implantierter Hirnschrittmacher stimuliert bestimmte tiefliegende Bereiche des Gehirns oder Hirnstamms und kann somit motorische Ausfälle vermeiden. Gegenwärtig werden die Stimulationselektroden auf der Grundlage von Atlanten platziert, die mit Magnetresonanztomographiebildern (MRT) des Patienten verknüpft werden. Diese Vorgehensweise ist jedoch durch die geringe Anzahl der in Atlanten dargestellten Nuclei des Hirnstamms limitiert und ist außerdem aufgrund der anatomischen Variabilität zwischen den Patienten unzuverlässig. Die Tiefenhirnstimulation könnte stark verbessert werden, indem bei jedem Patienten die tiefliegenden Stimulationsorte individuell identifiziert werden. Auf konventionellen MRT-Bildern sind diese aufgrund ihrer geringen Größe und des begrenzten Kontrastes nur schwer zu erkennen, sie sind auf MRT-Bildern der kürzlich entwickelten Methode quantitative Suszeptibilitätsabbildung (QSM) jedoch gut erkennbar. Außerdem können sie auch mittels "funktioneller" MRT (fMRT) sichtbar gemacht werden, da fMRT die aktiven Gehirnareale bei Durchführung einer Aufgabe zeigt. Diese beiden Methoden, QSM und fMRT, können derzeit nicht zur Planung der Tiefenhirnstimulation verwendet werden, da sie zwei lange Messungen umfassen, bei denen die Patienten äußerst still liegen müssen, was ein besonderes Problem für viele Parkinson-Patienten darstellt. In diesem Projekt wird die Entwicklung einer neuen schnellen MRT-Methode vorgeschlagen, die hochauflösende QSM- und fMRT-Bilder aus derselben Messung generiert. Dieses Projekt wird an einem Gerät der der neuesten Generation von Ultrahochfeld (7 T) MRT-Scannern durchgeführt, wodurch höhere Bildauflösungen erzielt werden können. Neben der Realisierung dieses kombinierten strukturellen und funktionellen Scans wird das Projekt i) Methoden entwickeln, um jegliche Verzerrungen aus den fMRT-Daten zu entfernen, die sonst die genaue Lokalisation der Hirnstammstrukturen erschweren würden ii) durch Atmung und Herzpuls bedingte Signalfluktuationen in den fMRT-Daten identifizieren und entfernen, da diese sonst die neuronale Aktivierung überschatten und iii) ein bewegungskorrigiertes QSM-Bild mit erhöhter Auflösung erzeugen. In Kombination mit geeigneten fMRT-Aufgaben wird diese Sequenz zur simultanen funktionellen und strukturellen Identifizierung von Zielen im Hirnstamm (mit dem Akronym "FAST- STEM") in der Lage sein, mehrere Mittelhirn- und Hirnstammziele zur Tiefenhirnstimulation in einer für Parkinson-Patienten tolerierbaren Untersuchungszeit zu identifizieren. Schließlich wird diese neue Vorgehensweise zur Abbildung des Hirnstamms auf einen klinischen 3 T MRT-Scanner übertragen, um sicherzustellen, dass Patienten in zukünftigen Studien davon profitieren können. Letztendlich wird erwartet, dass diese Methode der Hirnstammbildgebung neue, effektive Ziele für die Tiefenhirnstimulation identifizieren und präzise lokalisieren kann, was zu einer Linderung der schwächenden Symptome und eine Verbesserung der Lebensqualität der Patienten mit Parkinson-Krankheit zur Folge führt.

Die Parkinson-Krankheit (PD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die durch das Absterben von Neuronen, welche den Neurotransmitter Dopamin produzieren und freisetzen, gekennzeichnet ist. Dies geschieht in einer Vielzahl von Strukturen des Mittelhirns und des Hirnstamms und führt bei den Patienten zu Zittern, Haltungsinstabilität, Steifheit und schließlich zu einem allgemeinen Rückgang der motorischen Funktionen. Die tiefe Hirnstimulation (DBS) ist in vielen Fällen eine wirksame Behandlungsoption für Patienten, die nicht gut auf eine medikamentöse Behandlung ansprechen. Ein chirurgisch implantierter "Hirnschrittmacher" stimuliert Neuronen in bestimmten Regionen der grauen Substanz und des Hirnstamms und verringert so die auftretenden motorischen Einschränkungen. Ziel dieses Projekts war es, MRT-Methoden zu entwickeln, die bei der Identifizierung neuer Bereiche für die Anwendung von DBS im Tiefenhirn und im Hirnstamm helfen. Mithilfe der MRT können eine Vielzahl verschiedener Bilder erzeugt werden, die bestimmte Aspekte der Struktur oder Funktion des Gehirns widerspiegeln. Zum Beispiel können die tief liegenden Regionen der grauen Substanz, die für die DBS von Interesse sind, gut auf quantitativen Suszeptibilitätsabbildungen (QSM), welche sehr eisenreiche Bereiche des Gehirns zeigen, dargestellt werden. Dieselben Bereiche können auch bei der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) "aufleuchten", wenn sie durch eine relevante Aufgabe aktiviert werden. Sowohl QSM als auch fMRI profitieren von der Verwendung von MRT-Scannern mit ultrahohem Magnetfeld, wie z. B. dem 7-Tesla-System im Hochfeld-MR-Zentrum in Wien. Die Bildgebung bei 7T ermöglicht die Visualisierung kleiner Zielbereiche in der grauen Substanz mit hoher Empfindlichkeit und ausgezeichneter Auflösung, allerdings bringt die Verwendung eines ultrahohen Feldes auch eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Die Forscher, die an diesem Projekt beteiligt waren, entwickelten zunächst eine Methode die es ermöglicht sowohl QSMs als auch fMRI aus denselben 7T Daten zu erzeugen, sowie neue Ansätze zur Korrektur von Verzerrungen und physiologischem Rauschen, die für die Verwendung der Ergebnisse in der Neurochirurgie unerlässlich sind. Anschließend wendeten sie diese Methoden auf eine schnelle Bildgebungsmethode namens 3D EPI und auf eine noch schnellere, bewegungsrobuste Bildgebung unter Verwendung von 2D EPI und einer "Super-Resolution"-Rekonstruktion an, die es ermöglicht, hochauflösende Bilder aus mehreren Sätzen niedrig aufgelöster Bilder zu erzeugen, die in verschiedenen Ebenen aufgenommen wurden. Schließlich konnte das Problem der Bildgebung gelöst werden, dass durch das Vorhandensein von Fett im Kopf und Hals entsteht; ihr Simultaneous, MUltiple Resonance Frequency (SMURF)-Ansatz für die Fett-Wasser-Bildgebung ermöglicht die gleichzeitige Erzeugung getrennter Bilder von Fett und Wasser. Ein Ansatz, der mit dem internationalen Young Investigator Award der International Society of Magnetic Resonance in Medicine ausgezeichnet wurde. Die in diesem Projekt entwickelten Methoden wurden an mehr als die Hälfte der etwa 100 Ultrahochfeld-MRT-Standorte in der ganzen Welt verteilt und von MRT-Anbietern in ihre Forschungspakete aufgenommen. Diese Innovationen haben das quantitative Suszeptibilitäts-Mapping und die funktionelle Magnetresonanztomographie im Unterhirn und im Hirnstamm zur Identifizierung von Zielen für die tiefe Hirnstimulation verbessert.