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Der Einsatz von funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) zur Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle

Examensarbeit 2008 153 Seiten

Sport - Bewegungs- und Trainingslehre

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Einführung

1 Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle
1.1 Motorische Kontrolle
1.2 Strukturen der supraspinalen Bewegungskontrolle
1.3 Mechanismen der supraspinalen Bewegungskontrolle
1.4 Methoden zur Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle
1.5 Die funktionale Magnetresonanztomographie
1.6 Positronen-Emmissions-Tomographie
1.7 Elektroencephalographie und Magnetencephalographie
1.8 TMS
1.9 Kombination von Methoden
1.10 Geschichte der MRT und fMRT
1.11 Entwicklung zur BOLD-fMRT

2 Physikalische Grundlagen der fMRT
2.1 Grundlage der Magnetresonanztomographie
2.2 Kerneigenschaften
2.3 Kernspin
2.4 Kernmagnetismus
2.4.1 Das magnetische Kernmoment
2.4.2 Das gyromagnetische Verhältnis
2.5 Ausnutzung des Kerneigenschaften für die MRT
2.6 Wasserstoff in der MRT
2.7 Der Kernspin im biologischen Gewebe
2.8 Der Kernspin im Magnetfeld
2.9 Das magnetische Grundfeld
2.10 Ausrichtung der Kernspins im Magnetfeld
2.10.1 Die Boltzmann-Verteilung
2.11 Längsmagnetisierung
2.11.1 Der Gesamtmagnetisierungsvektor
2.12 Präzession der Kernspins
2.12.1 Die Larmor-Frequenz
2.13 Zusammenfassung Kernspin
2.14 Kernmagnetresonanz
2.15 Resonanzbedingung
2.16 Prinzipieller Aufbau eines MR-Experiments
2.17 Ablauf des MR-Experiments
2.17.1 Probe im Magnetfeld
2.17.2 Überlagerung mit der Hochfrequenzstrahlung
2.17.3 Anregung der Kernspins
2.17.4 Synchronisation der Kernspins
2.17.5 Der Flipwinkel
2.17.6 Beendigung der HF-Einstrahlung und Signalempfang
2.17.7 Das HF-Signal der Probe
2.18 Protonendichte
2.19 Die Relaxationsprozesse
2.19.1 Die Längsrelaxation
2.19.2 Die Querrelaxation
2.19.3 T2* Relaxationszeit
2.20 Einfluss der Elektronenhülle
2.20.1 Magnetische Eigenschaften von Gewebe
2.20.2 Die chemische Verschiebung
2.21 Diffusion und Perfusion
2.22 Zusammenfassung Magnetresonanz

3 Bildgebung
3.1 Der MR-Tomograph
3.1.1 Magnet
3.1.2 Hochfrequenzsystem
3.1.3 Gradientensystem
3.1.4 Rechnereinheit
3.2 Abbildungsverfahren in der MRT
3.2.1 Sequenzen
3.2.2 Bildgewichtung
3.3 Bildkontraste
3.3.1 Protonendichte Kontrast
3.3.2 Die T1 gewichtete Aufnahme
3.3.3 Die T2 gewichtete Aufnahme
3.3.4 Die T2* gewichtete Aufnahme
3.3.5 Auswahl der Bildgewichtung
3.4 Ortskodierung
3.4.1 Selektive Schichtanregung
3.4.2 Frequenzkodierung
3.4.3 Phasenkodierung
3.4.4 Die Fourier-Transformation
3.5 Messsequenzen
3.6 Spin-Echo-Technik
3.7 Gradienten-Echo-Technik
3.8 Echoplanar-Imaging-Technik
3.9 Zusammenfassung der Bildgebung

4 Funktionelle Magnetresonanztomographie
4.1 Aufbau: fMRT
4.2 Hypothetische Basis der fMRT
4.3 Hämodynamik
4.4 BOLD-fMRT
4.5 Der BOLD-Kontrast
4.6 Die Ausnutzung des BOLD-Kontrasts
4.7 Studien am Menschen
4.8 Abhängigkeit des BOLD-Effekts von physikalischen Parametern
4.8.1 Abhängigkeit von der Konzentration des Desoxyhämoglobins
4.8.2 Abhängigkeit des BOLD-Signals vom Magnetfeld
4.8.3 Abhängigkeit des BOLD-Signals von der Gefäßstruktur
4.8.4 Abhängigkeit des BOLD-Signals von der Reizgestaltung
4.9 Signal zu Rausch Verhältnis
4.10 Bewegungsartefakte
4.11 SNR bei verschiedenen Magnetfeldstärken
4.12 Geeignete Messmethoden
4.13 Paradigmen
4.13.1 Vor- und Nachteile der Experimentdesigns
4.13.2 Fazit Experimentdesigns
4.14 Analyse der fMRT-Daten
4.15 Datenbänke und Programme
4.16 Der physiologische Ursprung der BOLD-fMRT
4.17 Energiestoffwechsel der Neuronen im Gehirn

5 fMRT und Bewegungsforschung
5.1 Bewegungsrelevante fMRT-Studien

6 Diskussion
6.1 Ergebnisse
6.2 Fazit der Diskussion

7 Schluss
7.1 Fazit
7.2 Ausblick
7.3 Danksagung

Literaturverzeichnis

Kurzfassung

Die neuronalen Prozesse des menschlichen Gehirns sind Forschungsgegenstand vieler verschiedener Wissenschaften. Für die Bewegungswissenschaft ist es von Interesse, wie unser Gehirn die Anforderungen der sportlichen Aktivität bewältigt. Leider ist die Funk- tionsweise des Gehirns nicht leicht einsehbar. Dies ist natürlich auf die Unzugänglich- keit und die Komplexität dieser Struktur zurückzuführen, jedoch auch auf die Tatsache, dass die Methodik zur Erforschung des Gehirns noch nicht ausreichend entwickelt ist.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) scheint die Darstellung von sup- raspinalen Prozessen der Bewegungskontrolle unter physiologischen Umständen mög- lich zu machen. Die vorliegende Arbeit erläutert die Funktionsweise, verdeutlicht die Möglichkeiten und Einschränkungen der Methode und bewertet die Anwendbarkeit der fMRT zur Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle.

Die Arbeit zeigt, dass die Methode geeignet ist die Bewegungswissenschaft bei der Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle zu unterstützen. Potentiell kann man mit Hilfe der fMRT Trainingsempfehlungen generieren und motorisches Lernen kontrollieren. Es ist zu erwarten, dass die bisher erzielten Ergebnisse weitere Nachfor- schungen mit der Methode anregen werden und sich die fMRT bei sportwissenschaftli- chen Experimenten etablieren wird. Vor allem die Kombination von fMRT mit anderen Methoden wird einen genaueren Einblick in die neuronalen Prozesse des Gehirns er- möglichen und damit ein besseres Verständnis für die supraspinale Bewegungskontrol- le schaffen.

Schlagwörter: funktionelle Magnetresonanztomographie, supraspinale Bewegungskon- trolle, bewegungswissenschaftliche Methoden, motorisches Lernen.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Motorische Regionen des Kortex erstellt durch fMRT Datenanalyse. Primär-motorischer Kortex (M1), supplementär motorische Kortices (SMA proper, pre-SMA), prämotorische Kortices (PMd, PMv), Primär-sensible Areale (S1) (Mayka, 2006)

Abbildung 2 : Methoden im Vergleich: Zeitliche und räumliche Auflösung bestimmen die Einsetzbarkeit der Methode. fMRT (gelb), kann z.B. nicht allein für die Beobachtung von einzelnen Neuronen eingesetzt werden (Gazzaniga, 2004)

Abbildung 3: Kombinierte Anwendung von fMRT und TMS ermöglicht die Untersuchung der Art und die Lokalisation der Aktivierung, die durch eine Handbewegung verursacht wird: Aktivierung in den contralateralen (fetter Pfeil) und ipsilateralen (dünner Pfeil) Repräsentationen der Hand lokalisiert durch fMRT. Durch die TMS kann die Art der Aktivierung (Hemmung oder Erregung) untersucht werden (Krings, 2001)

Abbildung 4: Kernspin als Dipolmagnet (Frings & Baumann, 2007)

Abbildung 5: Rotation von positiver Ladung erzeugt ein magnetisches Kernmoment dessen Ausrichtung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] kolinear mit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Drehachse des Kernspins ist (Brix, 2006)

Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Heliumatoms. Es besitzt zwei Neutronen und zwei Protonen. Die Einzelspins der Nukleonen heben sich gegenseitig auf. Nicht direkt im MR-Experiment nachweisbar (Frings,2007)

Abbildung 7: Bei ungerader Nukleonenzahl, ergibt sich ein Gesamtspin. Dieser Spin wird im MR-Experiment ausgenutzt und in der Kernspintomographie dargestellt (Frings & Baumann, 2007)

Abbildung 8: Ungeordnete Ausrichtung der Kernspins oder Entropie der Kernspins ohne extern angelegtes Magnetfeld in biologischem Gewebe. Die magnetischen Momente im Volumenelement kompensieren sich gegenseitig (Frings & Baumann, 2007)

Abbildung 9: Mögliche energetische Zustände der Kernspins im statischen Magnetfeld: parallele (m = +1/2) und antiparallele (m =-1/2) Ausrichtungen zu [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (Levitt, 2006 ; Brix, 2006)

Abbildung 10: Überwiegende parallele Orientierung der Kernmomente (m=+1/2) ist Ursprung für makroskopische Längsmagnetisierung mit der Größe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (Brix, 2006). Die Ausrichtung der Gesamtmagnetisierung entspricht der Längsmagnetisierung[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Abbildung 11: Vergleich zwischen mechanischem und atomarem Kreisel (Brix, 2006). Durch den Drehimpuls L wird der mechanische Kreisel vor dem Umkippen bewart. Seine Präzessionachse wird durch den Vektor der Schwerkraft G dargestellt. Beim atomaren Kreisel wird G durch [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ersetzt. Das mit dem Drehimpuls verbundene magnetische Kernmoment präzediert um die Feldlinien von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Abbildung 12: Darstellung des Verhaltens der Kernspins im Magnetfeld. Die in Larmor-Frequenz präzedierenden Kernspins richten sich Ihrer Quantenzahl m entsprechend parallel oder antiparallel aus. Die parallele Ausrichtung überwiegt und es entsteht eine Längsmagnetisierung der Probe. Diese wird durch die makroskopische Magnetisierung beschrieben M. Ihr Vektor [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist parallel zum Vektor des Grundfeldes [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Abbildung 13: Übergang in höheren energetischen Zustand ( von m=+1/2 zu m=- 1/2). Dadurch wird das Verhältnis der Ausrichtungen zu Gunsten der antiparallelen verändert. Dies bedeutet eine Auslenkung aus dem Grundzustand (thermischen Gleichgewicht) und eine Abnahme der Längsmagnetisierung

Abbildung 14: Prinzipieller Aufbau eines MR-Experiments. System aus magnetischem Grundfeld [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und Probe. Sender- und Empfängereinheit mit HF-Spule. HF-Impuls ist nicht eingeschaltet

Abbildung 15: Impulsabhängiger Aufbau der Quermagnetisierung durch Phasensynchronisation (Schnell, 1998)

Abbildung 16: Stationäres Bezugssystem links, rotierendes Bezugssystem rechts (Schnell, 1998)

Abbildung 17: Komponenten der Gesamtmagnetisierung M. Sie setzt sich aus längsmagnetischen Anteil Mz und dem quermagnetischen Anteil Mxy zusammen. Der Flipwinkel wird durch den Winkel a von M zwischen z- Achse und xy-Ebene dargestellt (Schnell, 1998)

Abbildung 18: Eine 90° Auslenkung von M wird als 90° Impuls bezeichnet (Schnell, 1998)

Abbildung 19: Der Verlauf der Längsrelaxation nach einem 90° Impuls wird durch eine exponentielle Funktion dargestellt. T1 ist die Zeit, die benötigt wird bis die Längsmagnetisierung wieder auf 63% des Ausgangswertes von Mz zurückgekehrt ist (Brix, 2006)

Abbildung 20: Der allmähliche Verfall der Quermagnetisierung durch Dephasierung (Schnell, 1998)

Abbildung 21: Der Verfall der Quermagnetisierung nach einem 90° Impuls mit der Zeitkonstanten T2 (Brix, 2006)

Abbildung 22: Eine diamagnetische Probe bewirkt eine Abnahme des induzierten Grundfeldes [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Abbildung 23: Eine paramagnetische Probe bewirkt eine lokale Zunahme des induzierten Grundfeldes [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Abbildung 24: Ein 1,5T MR-Tomograph. (Siemens, 2003). http://www.medical.siemens.com

Abbildung 25: Coronale und sagittale T1 Aufnahme. Knochen und weiße Hirnmasse wird hell, Flüssigkeit dunkel dargestellt (Johnson & Becker, 1999)

Abbildung 26: Coronale und sagittale T2 Aufnahme. Flüssigkeit wird hell dargestellt. Deutlicher Kontrast zwischen Weißer und grauer Hirnmasse (Johnson & Becker, 1999)

Abbildung 27: Unterschiedliche T1 und T2 Verlaufskurven für CSF (Cerebro- Spinal-Flüssigkeit), Fett, grauer und weißer Hirnsubstanz. Der T2 Verfall zeigt keine deutlichen Unterschiede zwischen grauer und weißer Substanz: Gewebekontrast minimal. Die T1 Relaxation zeigt einen relativ großen Unterschied zwischen den Verlaufskurven. Die weiße Hirnsubstanz erreicht nach ca. 2800ms, die graue Substanz nach ca. 4000ms den Grundzustand: der Gewebekontrast wird deutlich (Schnell, 1998)

Abbildung 28: Einsatz eines Gradienten zur Selektion einer Schicht innerhalb der Probe. Veränderung der Magnetfeldstärke innerhalb der Schicht: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Nur die Schicht mit der Magnetfeldstärke BS erfüllt dann die Resonanzbedingung

Abbildung 29: Sequenzschema der Schichtselektion. Der Gradient GS wird während des HF-Impulses eingestrahlt (Ludwig, 2002). Die Abbildung zeigt den Gradient mit zwei unterschiedlichen Polungen. Die Wirkung des Gradienten wird durch einen zweiten Gradienten ausgeglichen, so dass die Relaxationsprozesse im gesamten Volumen unter den gleichen Bedingungen Ablaufen

Abbildung 30: Frequenzkodierung innerhalb der selektierten Schicht durch einen Gradienten der parallel zur x-Achse ausgerichtet ist

Abbildung 31: Sequenzschema einer Frequenzkodierung am Beispiel einer Gradienten-Echo-Sequenz (Ludwig, 2002)

Abbildung 32: Phasenkodierung entlang der y-Achse durch Phasenkodiergradienten GP

Abbildung 33: Beispielsequenz mit Schicht-, Lese- und Phasengradient (Ludwig, 2002). ..

Abbildung 34: Beispiel einer Spin-Echo-Sequenz (SE). Der 180° Impuls wird bei TE ½ zugeschaltet. Das empfangene Echo bei TE nimmt mit der gewebespezifischen T2 Konstanten ab. Das FID zerfällt mit T2*. Im unteren Teil der Abbildung ist die invertierende Wirkung des Refokussierungsimpulses dargestellt. Bei TE sind die Kernspins erneut in Phase (Schnell, 1998)

Abbildung 35: Beispiel einer Gradienten-Echo-Sequenz (GRE). Der Gradient der Frequenzkodierung wird zunächst mit negativer Polung und dann bei TE mit positiver Polung geschaltet. Das empfangene Signal stammt nur aus einer bestimmten Schicht und ist frequenz- und phasenkodiert. Die TR ist doppelt so lange wie TE (Schnell, 1998)

Abbildung 36: EPI-Sequenz. Die Sequenz enthält alle Gradienten zur räumlichen Kodierung: einen Schichtgradient GS, mehrere Frequenz- oder Lesegradienten GR mit wechselnder Polung und Phasengradienten GP. Während einer Sequenz werden so viele Datenpunkte ausgelesen wie Lesegradienten geschaltet werden (Ludwig, 2002)

Abbildung 37: Verlauf der BOLD-Signalantwort (relativer Signalunterschied) auf einen Stimulus (grauer Balken x-Achse). Der anfängliche Signalabfall wird eventuell schnelle fMRT-Methoden ermöglichen. Signal ca. 7 s nach Stimulusende abgeklungen (Marcar & Loenneker, 2004)

Abbildung 38: Ursprung des BOLD-Kontrasts: Arterielles, sauerstoffreiches Blut (hoher Sauerstoff Partialdruck) erzeugt hohes MR-Signal. Die magnetischen Eigenschaften des Blutes führen zu keinen Schwankungen des Magnetfeldes. Im Gegensatz zu venösem, sauerstoffarmen Blut, das durch den hohen Anteil an desoxygeniertem Hämoglobin einen großen Suszeptibilitätsunterschied zum umgebenden Gewebe aufweist. Durch die Feldinhomogenitäten wird die Abnahme des MR-Signals beschleunigt (Gore, 2003)

Abbildung 39: Abhängigkeit der Signalveränderung (BOLD-Effekt) von der Frequenz des Stimulus. Die Signaländerungen wurden in der Studie mit den Ergebnissen von PET-Messungen verglichen. Die Korrelation zu den MR- Messungen zeigt sich in der Grafik (Belliveau, 1992)

Abbildung 40: Der Signalintensitätsverlauf über die Zeit. Das Rauschverhalten ohne Stimulus wird berechnet. Anschließend wird das gemittelte Rauschverhalten von dem Signalausschlag abgezogen (Sharma & Sharma, 2004)

Abbildung 41: Fixation des Kopfes zur Minimierung der Bewegungsartefakte bei der MR-Datenauslese. Der Einsatz von thermoplastischen Masken erzielt gute Ergebnisse, stellt jedoch hohe Ansprüche an die Probanden/Probandinnen (Huettel, 2004)

Abbildung 42: Abhängigkeit des SNR von der Magnetfeldstärke im Vergleich mit anderen Parametern, wie der MR-Signalintesität. Es wird gezeigt, dass das SNR nicht beliebig mit der Magnetfeldstärke gesteigert werden kann (Huettel, 2004)

Abbildung 43: Aufnahme des MRT Signals in Ruhe- (II) und Reizphase (I). Nach der Datenaufnahme können die Beiträge der Voxel analysiert werden. Beobachtet wird das Signalverhalten der Voxel i bzw. ii in den Stimulationsphasen (Gore, 2003)

Abbildung 44: Zeitaufgelöste MRI Aufnahmen des Gehirns bei visueller Stimulation. Ein bei Dunkelheit aufgenommener Datensatz (baseline) wird von den folgenden Datensätzen in der OFF-Phase (Dunkelheit) und der ON- Phase (Stroboskop bei 8HZ) subtrahiert. Die hellen Punkte zeigen Voxel mit erhöhtem BOLD-Signal. Die aktivierten Voxel korrelieren räumlich mit der Lage des visuellen Kortex (Belliveau, 1992)

Abbildung 45: Statistische Karte einer Untersuchungsgruppe. Der Reiz besteht aus verschiedenen Greifbewegungen. Diese Darstellung beinhaltet: Analyse der aktivierten Voxel. Metalltemperaturfarbskala: Voxel der höchsten wahrscheinlichen Aktivität werden weißglühend dargestellt. Die gemittelten funktionalen Daten werden einem Standardgehirn des Montréal Neurological Institut (MNI) überlagert. Die T1 -Darstellungen zeigen a) eine sagittale, b) axiale c) coronale Schnittebene. In d) sind die erwarteten Kontrastwerte auf die unterschiedlichen Stimuli abgebildet (Bengliomini, 2007). ..

Abbildung 46: Die Verbindung zwischen neuronaler Aktivität zum BOLD-Signal ist indirekt. Die Erforschung der physiologischen Prozesse (2&3) ist notwendig für die Interpretation der BOLD-Antwort (Arthurs & Boniface, 2002). ..

Abbildung 47: (A) Aktivierung des primär motorischen Kortex (M1) durch alternierende Kontraktionsaufgabe der contralateralen Hand (B). Die hellen Pixel (siehe Pfeil) zeigen eine signifikante Änderung der Signalintensität (SI)

Abbildung 48: Umriss der statistisch erzeugten motorischen Areale: Primär- motorischer Kortex (M1), supplementär motorische Kortices (SMA proper, pre-SMA), prämotorische Kortices (PMd, PMv), Primär-sensible Areale (S1)

Abbildung 49: Mögliches Schema der ipsilateralen Kontrolle im Kindes-, Erwachsenenalter und durch Läsion von Nervengewebe im Gehirn. Im Kindesalter (childhood) sind der primär-motorische Kortex (M1) und der prämotorische Kortex (PM) gleichermaßen an der ipsilateralen Kontrolle beteiligt. Im Erwachsenenalter (adulthood) nimmt der Einfluss von M1 bei der ipsilateralen Kontrolle ab, dies kann wie dargestellt, durch den hemmenden Einfluss des contralateralen M1 geschehen. Bei degenerativen Prozessen, bzw. Läsionen der hemmenden Strukturen ( z.B. M1) kann es zur verstärkten Einflussnahme des M1 auf die ipsilaterale Kontrolle kommen (pathologic)

Abbildung 50: Das 3-D Modell (großes Bild) zeigt die aktivierten Areale (blau) des Gehirns auf den Befehl „links“: auditorischer und motorischer Kortex. Die gelb eingezeichneten Bereiche zeigen signifkanten Einfluss (Pfeile) des auditorischen Kortex und sensorischen Motorkortex auf den rechten Motorkortex. Das kleine Bild zeigt den signifikanten Einfluss des auditorischen auf den sensorischen Motorkortex

Abbildung 51: Anatomische Lokalisation der mit Koordinationsaufwand in Beziehung stehenden Abnahmen der Aktivität in der Lern- und Automatisierungsphase, dargestellt an einem standardisierten Gehirn. Abnahme der Aktivität ausschließlich in der 1. Lernphase bei A: Ventrolateraler präfrontaler Kortex, B: rechter supramarginaler Gyrus, C: rechtes ventrales prämotorisches Areal. Abnahme in der Automatisierungsphase ausschließlich im supplementär-motorischen Areal (C). Kontinuierliche Abnahme in E: dem linken Insula Cortex und F: der anterioren Cingulate Sulcus

Abbildung 52: Anatomische Lokalisation der mit Koordinationsaufwand in Beziehung stehenden Anstiege der Aktivität in der Lern- und Automatisierungsphase, dargestellt an einem standardisierten Gehirn. Vorübergehende Steigerung der Aktivität im Bereich des linken M1 und dem hinteren prämotorischen Areal (A), dem rechten superioren Occipital Kortex (B) und dem linken posterioren Cingulate Kortex (C). Anhaltende Aktivität wurde in den rechten Bereichen des Cerebellums (D) und in den linken Putamen und Globus Pallidus gemessen

Abbildung 53: Aktivierungsmuster des Putamens (A), des Nucleus subthalamicus (STN) (B), sowie des Kleinhirns (C). Die Messungen T1-3 (Tag 1), T4 (Tag 14) T5 (Tag 28) zeigen eine Verschiebung der Aktivität von den dorsalen Anteilen zu den ventrolateralen Anteilen des Putamens (A). Der linke STN zeigt durchgängige Aktivierung, jedoch sinkt der Beitrag der gesamten Region kontinuierlich (B). Abnehmende Aktivität im Bereich des Kleinhirns vor allem im Pons, Nucleus Dentatus und dem Lobus VI (C)

Abbildung 54: Die Insula ist eine tiefliegende Struktur, die sich unterhalb des Temporal-,Frontal- und Parietallappens. Die verdeckende Region wird auch als operkulärer Kortex bezeichnet. befindet sich unterhalb vom parietalen Lappen (Wikipedia, 2008)

Abbildung 55: Unterschiedliche Reizantwort bei Gelernter und ungelernter Melodie. Ein deutlicher Signalanstieg konnte bei der gelernten Melodie im Vergleich zur ungelernten in der linken Insular und daran angrenzenden Bereichen gemessen werden

Abbildung 56: Aktivierung (2 & 3) durch den gelernten Stimulus, löst Aktivität innerhalb des sensomotorischen Handbereichs der Insula (1) aus

Abbildung 57: Schema der Stimulusfolge im fMRT Scanner

Abbildung 58: Lokalisation der statistischen Signalerhöhung bei der Beobachtung und Vorstellung von Bewegungen im Vergleich zur Ruhephase. Die obere Reihe zeigt die linke Gehirnhälfte von lateral und medial. Die untere Reihe zeigt die rechte Hemisphäre

Abbildung 59: Lokalisation der statistischen Signalunterschieds bei der Beobachtung und Vorstellung der erlernten Tanzsequenz im Vergleich zur ungelernten

Abbildung 60: Ergebnisse von fMRI und EEG zeigen vergleichbare Hand- und Gesichtsrepräsentationen (Huettel, 2004)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Einordnung der genannten neurophysiologischen Verfahren

Tabelle 2 : Aufteilung der Messparameter zur Bildgewichtung

Tabelle 3:. Kriterien der Studien: Lokalisation von Bewegung, Untersuchung von motorischen Lernprozessen, fMRT gestützte Trainingsempfehlungen und methodische Entwicklung

Einführung

In den letzen Jahren hat sich im Bereich der Hirnforschung sehr viel getan. Dies liegt zu einem Großteil an der stetigen Weiterentwicklung neuer Forschungsmethoden. Vor gut einem Jahrzehnt wurde mit Hilfe der MRT ein sensationeller Fortschritt erreicht. Man verwendet dabei die Erkenntnis von Pauling, dass sauerstoffreiches Blut besser magne- tisierbar ist als sauerstoffarmes Blut. Mit einer weiteren Methode, der Positronen- emissionstomographie (PET) konnte man zuvor nachweisen, dass aktive Nervenzellen besser, also mit mehr sauerstoffreichem Blut, versorgt werden. Auf dieser Grundan- nahme basiert das Prinzip der funktionellen Magnetresonanztomographie. Nicht nur verschiedene Gewebe wie Knochen und Weichteile können unterschiedlich dargestellt werden, sondern auch sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut besitzen ein spezifi- sches Signal und liefern einen MRT-Kontrast. Bei diesem bildgebenden Verfahren wird das körpereigene Blut als Kontrastmittel (KM) verwendet und ist daher nicht abhängig von belastenden Injektionen körperfremder Präparate. Es ermöglicht einen Einblick in die physiologischen Prozesse unseres Gehirns. Frühe neurowissenschaftliche Studien, wie die von Broca und Wernicke, zogen ihre Schlüsse aus Funktionseinschränkungen einzelner Hirnareale, die durch Läsionen bedingt waren (Jerzy, 2006). Auch wenn da- durch eine Vielzahl bestimmter Funktionszuteilungen erfolgte, kann man nun mit Hilfe der fMRT die physiologischen Prozesse an gesunden Menschen untersuchen.

Aufgrund der neuen Einsichten auf die Funktionsweise des Gehirns mit Hilfe der fMRT, wird sich unsere Vorstellungen von den Prozessen des Kontrollierens und Erler- nens von Bewegung stark verändern. Durch die Anwendung von komplexen Experi- mentdesigns wird es möglich sein, neben der Beobachtung von relativen einfachen Re- gelungsprozessen, kognitive Prozesse während der Bewegungsbewältigung zu doku- mentieren.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Funktionsweise der fMRT zu erläutern und die Anwend- barkeit der Methode in der sportwissenschaftlichen Forschung zu überprüfen.

Die Arbeit weist damit auf das weite Spektrum an Einsatzmöglichkeiten und das Poten- tial dieser Methode zur Informationsgewinnung im Bereich der supraspinalen Bewe- gungskontrolle hin. Das Thema ist bewusst auf den Anwendungsbereich der kortikalen und subkortikalen Prozesse eingegrenzt, obwohl die fMRT natürlich einen viel weiteren Einsatzbereich allein in der Medizin aufweisen kann. Im Abschluss meiner Arbeit möchte ich die Perspektiven der fMRT im Sport diskutieren und dadurch im besten Fall Ideen für sportwissenschaftliche Experimente mit der fMRT anregen.

These

Durch einen fMRT gestützten Einblick in die kognitiven Prozesse von Bewegungsler- nen zu verschiedenen Zeitpunkten, wird sich das Verständnis von Lernen neu ausbilden. Mit diesen neuen oder überprüften Erkenntnissen werden Sportlehrer, Sportwissen- schaftler und Trainer besser in der Lage sein, Bewegungslernen zu verstehen und da- durch ihr Training zu optimieren. Lernprozesse können mit Hilfe dieser Methode noch gezielter dokumentiert werden. Die fMRT wird daher einen enormen Beitrag zur Kon- solidierung von bekannten Lehrmethoden und zur Erweiterung unseres Wissens über kognitive Prozesse, nicht nur im Sport, beisteuern können. Die Rolle der kognitiven Bewegungskontrolle als leistungsbestimmende Größe wird, vor allem in einer Zeit, in der die strukturellen und stofflichen Parameter weitestgehend ausgereizt sind und Do- ping hoffentlich aus dem Sport verdrängt wird, an Bedeutung zunehmen und über einen sportlichen Erfolg oder Meisterung einer sportlichen Aufgabe entscheiden.

Eingrenzung des Forschungsbereichs

Der erste Teil der Arbeit bietet eine Übersicht über das Thema der Arbeit: zunächst wird das Forschungsgebiet eingegrenzt, auf das die Methode angewandt werden soll. Die wichtigsten supraspinalen Strukturen und ihre Funktion bei der Bewegungskontrolle werden vorgestellt. Es folgen eine Einteilung und ein Vergleich der verfügbaren Metho- den der Hirnforschung. Die Funktionsweise und Anwendbarkeit der Methoden werden kurz erläutert. Anschließend wird die Entwicklung der fMRT beschrieben.

Physikalische Grundlagen der fMRT

Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die physikalischen Grundlagen der Magnetreso- nanz. Es werden die Phänomene beschrieben, die für die exakten Ergebnisse der MRT verantwortlich sind. Der Aufbau der physikalischen Grundlagen basiert auf einem Phä- nomen-Konsequenzen Schema. Die Reihenfolge ist so gewählt, dass die Phänomene von der Kernebene bis zur Anwendung in der fMRT-Bildgebung sukzessiv vorgestellt werden. Dieser Aufbau ermöglicht eine hierarchische und schrittweise Annäherung an die physikalischen Hintergründe der fMRT.

Bildgebung mit der MRT

Der dritte Abschnitt befasst sich mit der Ausnutzung der beschriebenen physikalischen Phänomene für die bildliche Darstellung des Gehirns. Dazu werden die technischen Komponenten des Tomographen und die wichtigsten Messtechniken vorgestellt.

fMRT

Im vierten Teil der Arbeit wird die funktionale Umsetzung der MRT besprochen. Die Arbeit konzentriert sich auf die Darstellung der BOLD-fMRT (Ogawa, 1990). Es wer- den die signalbestimmenden Parameter beschrieben und die verschiedenen Experiment- designs vorgestellt und diskutiert. Zusätzlich werden die Verfahren der Datenanalyse besprochen und auf die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und dem BOLD- Signal eingegangen.

Studienanalyse und Diskussion

In dem fünften Kapitel werden bewegungsrelevante Studien vorgestellt und ihre Ergeb- nisse zusammengefasst. Die anschließende Diskussion soll überprüfen, ob und in wel- chen Aspekten die fMRT die Anforderungen der Bewegungswissenschaft erfüllt und für die Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle geeignet ist.

Schluss

Im Schlussteil werden die wichtigsten Aspekte der Methode sowie die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und eine Bewertung der Methode, bezüglich ihrer Anwendbar- keit in der Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle, versucht. Aus den ge- machten Ausführungen wird ein Ausblick auf die mögliche Entwicklung und zukünftige Anwendungsbereiche der fMRT im Bereich des Sports gegeben.

1 Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle

1.1 Motorische Kontrolle

Der Begriff der motorischen Kontrolle wird im deutschen Sprachgebrauch als ein Teil der Motorik verstanden. Im Englischen dagegen, werden die Begriffe Motorik und mo- torische Kontrolle synonym verwendet.

„Motorik (motorische Kontrolle sic) beinhaltet alle organismischen Teilsysteme und – prozesse, die die Bewegung des Menschen auslösen und kontrollieren.“

(Oliver & Rockmann, 2003)

Die motorische Kontrolle ist die Fähigkeit, die Mechanismen, die für die Bewegung notwendig sind, zu steuern (Shumway-Cook, 2001). Das Forschungsgebiet der Bewe- gungskontrolle ist ein Teilbereich der Bewegungswissenschaft. Sie ist dafür ausgelegt, das Wesen der Bewegung und die ihr zugrunde liegenden Kontrollmechanismen zu er- forschen (Shumway-Cook, 2001; Oliver & Rockmann, 2003).

Die zielgerichtete Ausführung von Bewegungen ist abhängig von einem intaktem Zu- sammenspiel zwischen den Sinnen, die Reize aus der Umwelt aufnehmen, dem zentra- len Nervensystem (ZNS) als informationsverarbeitende, planende, lernende und auslö- sende Instanz und der Skelettmuskulatur als Effektor, der die Bewegung ausführt. Die Bewegungsausführung wird durch drei Komponenten bestimmt, zum einen durch die Bewegungsaufgabe (task), dann durch das handelnde Subjekt (individual) und letztlich durch die Bedingungen der Umwelt (environment) (Shumway-Cook, 2001).

Die Bewegungskontrolle durch das ZNS wird in spinale und supraspinale Mechanismen unterteilt. Auf der spinalen Ebene werden Reflexe als grundlegende Mechanismen der Bewegungsregulation untersucht. Die supraspinale Betrachtung fokussiert die bewe- gungsrelevanten Verarbeitungsprozesse im Gehirn. Obwohl dies eine hierarchische Aufteilung suggeriert, geht die moderne Forschung davon aus, dass beide Ebenen eng miteinander Verknüpft sind (Gurfinkel & Cordo, 1998).

1.2 Strukturen der supraspinalen Bewegungskontrolle

Die supraspinale Bewegungskontrolle umfasst die motorischen Beiträge der Anteile des Nervensystems oberhalb des Rückenmarks. Dazu gehört die Medulla oblongata, das verlängerte Rückenmark. Diese Struktur besitzt hauptsächlich vegetative Funktionen: sie beeinflusst den Herzschlag, die Atmung und die Verdauung. Sie bildet den Über- gang zwischen Rückenmark und Gehirn.

Die Pons (Brücke) stellt eine Wichtige Verbindung zwischen Kortex (Großhirnrinde) und Cerebellum (Kleinhirn) her. Sie liegt oberhalb der Medulla.

Das Cerebellum, ein für die Motorik sehr interessanter Teil des Gehirns, befindet sich im caudalen (hinteren, unteren) Teil des Schädels. Es reguliert unter anderem die Aus- führung von Bewegungen über einen ständigen Abgleich von afferenten und efferenten Signalen (Kandel, 1996). Die Aufgabe des Kleinhirns beim Bewegungslernen wird im späteren Verlauf der Arbeit durch fMRT Studien beschrieben.

Das Mesencephalon, oder Mittelhirn, liegt vor der Pons und koordiniert verschiedene sensorische und motorische Aufgaben. Ein weiterer Abschnitt des Gehirns, der zentral im Gehirn sitzt, wird als Diencephalon oder Zwischenhirn bezeichnet. Es beherbergt zwei Strukturen. Eine von ihnen ist der Thalamus, der einen Filter für die aufsteigenden Stimuli darstellt, die über Nervenfaserbündel in den Kortex ziehen. Die zweite Struktur ist der Hypothalamus, der eine wichtige Funktion bei der hormonellen Steuerung über- nimmt.

Der Neocortex (Großhirn) stellt den größten Anteil unseres Gehirns dar. Er ist durch die Fissura longitudinalis cerebri in zwei relativ gleichförmige Hemisphären geteilt. Die Hirnhälften sind wiederum in vier Loben (Hirnlappen) unterteilt. Diese werden ihrer Lage entsprechend als Stirnlappen (Lobus frontalis), Scheitellappen (Lobus parietalis), Schläfenlappen (Lobus temporalis) und als Hinterhauptslappen (Lobus occipitalis) be- zeichnet. Die verschiedenen Bereiche des Kortex sind, so vermutete man, für bestimmte Aufgaben verantwortlich. Im späteren Verlauf werden anhand von fMRT Aufnahmen Aktivierungsmuster bestimmter Aufgaben diskutiert.

Abbildung 1: Motorische Regionen des Kortex erstellt durch fMRT Datenanalyse. Primär-motorischer Kortex (M1), supplementär motorische Kortices (SMA proper, pre-SMA), prämotorische Kortices (PMd, PMv), Pri- mär-sensible Areale (S1) (Mayka, 2006).

Zum Kortex werden auch die Basalganglien, der Hyppocampus und die Amygdala (Mandelkern) gezählt, die zentral im Gehirn angeordnet sind. Die Basalganglien über- nehmen wichtige Funktionen der Bewegungssteuerung. Der Hyppocampus ist die Struk- tur, die grundlegend an der Speicherung von Erfahrungen beteiligt ist. Der Mandelkern ist verantwortlich für die Ausschüttung von endokrinen Substanzen und hat Einfluss auf unser Belohnungssystem (Kandel, 1996; Hallet, M. 2006).

Über die Untersuchung von Aktivierungsmustern dieser Areale und Strukturen während Bewegungsrelevanter Aufgaben versucht man eine funktionale Verteilung der Bewe- gungskontrolle zu erkennen (siehe Abbildung 1).

1.3 Mechanismen der supraspinalen Bewegungskontrolle.

Der primäre motorische Kortex gilt als die Schlüsselstruktur der supraspinalen Bewe- gungskontrolle. Er wird durch die sensorischen Systeme angesteuert und verarbeitet deren Information für die Gestaltung der Bewegung (Thompson, 2001; Drum & Strick, 2005).

Die efferenten Bahnen des primären motorischen Kortex teilen sich in direkte Bahnen, die die Muskulatur ansteuern und Bahnen die subkortikale Schleifen ziehen. Die wich- tigsten Schleifen bilden dabei die Cerebellum Schleife und der Schaltkreis, der die Ba- salganglien mit einbezieht (Kandel, 1996; Shumway-Cook, 2001). Für eine ausführliche Beschreibung wird auf weiterführende Literatur verwiesen (Konczak, 2003).

1.4 Methoden zur Erforschung der supraspinalen Bewegungs- kontrolle

Für die Erforschung des Gegenstandsbereiches eignen sich verschiedene Methoden der Hirnforschung, deren gemeinsames Ziel die Aufklärung der Funktionsweise unseres Gehirns ist. Primär versucht man über eine Lokalisation und Charakterisierung der neu- ronalen Aktivität dieses Ziel zu erreichen. Die Forschungsmethoden unterscheiden sich durch ihre Möglichkeiten und Limitationen und werden je nach der Fragestellung des Experiments ausgesucht (Logothetis & Wandell, 2001; Huettel, 2004a). Man unter- scheidet grundsätzlich zwischen direkten und indirekten Verfahren.

1.5 Die funktionale Magnetresonanztomographie

Die funktionale Magnetresonanztomographie ist ein indirektes, nicht-invasives, bildge- bendes Verfahren, das zur Darstellung von physiologischen Prozessen des Nervensys- tems angewandt werden kann. Mit diesem Verfahren wird versucht, neuronale Prozesse bei diversen Aufgaben räumlich und zeitlich zuzuordnen und dadurch einen Einblick in die Funktionsweise unseres Gehirns zu erhalten (Krings, 2001).

Die fMRT ist eine Technik, die, über einen Abgleich von Signalbeiträgen eines Ortes zu unterschiedlichen Zeitpunkten, Bilder erzeugt (Huettel, 2004a). Die Signalstärke basiert auf den lokalen physikalischen Eigenschaften des untersuchten Gewebes (Gore, 2004). Die fMRT beruht auf der Annahme, dass die neuronale Aktivität an die Stoffwechselra- te und damit an die vaskulären Prozesse gebunden ist (Faro & Mohamed, 2006). Bei Aktivität verändert sich die magnetische Eigenschaft des Blutes in dem betroffenen Vo- lumenelement (Voxel). Diese Änderung wird durch den Vergleich von MR-Signalen aus dem gleichem Voxel ohne Aktivität und einem Signal bei Aktivität deutlich ge- macht. Es werden mindestens zwei Aufnahmen benötigt, um einen relativen Signalun- terschied festzustellen. Als eine Variante der Magnetresonanztomographie, die auf den gleichen physikalischen Prinzipien basiert, kann die funktionale Bildgebung an her- kömmlichen MRT-Scannern erzeugt werden. Das Verfahren besitzt durch kurze Mess- zeiten eine gute zeitliche Auflösung. Die exakte Zuordnung des Signalursprungs ermög- licht eine hervorragende Bildauflösung (Huettel, 2004).

1.6 Positronen-Emmissions-Tomographie

Die funktionelle MRT gehört zu den Verfahren, die die neuronale Aktivierung indirekt messen. Darunter befindet sich auch die Positronen Emmissions Tomographie (PET). Die PET ist ein indirektes, bildgebendes, jedoch invasives Verfahren der Neuroforschung. Bei der PET werden radioaktive Substanzen, so genannte „ Tracer“, wie zum Beispiel 15O, verabreicht und in den Stoffwechsel aufgenommen. Die emmitierende Strahlung ermöglicht es Anreicherungen dieser Substanz zu lokalisieren. Die Höhe der aufgenommen Strahlungswerte gibt Aufschluss über die Stoffwechselaktivität (Frost, 1990). Die PET-Aufnahmen werden in Abständen von Minuten aufgenommen. Die Nachteile der PET sind die Strahlenbelastung durch die radioaktiven Substanzen und eine geringe zeitliche und räumliche Auflösung (Posner & Raichle, 1994). Die gemein- same Basis dieser indirekten Verfahren ist die Verknüpfung von neurophysiologischen Prozessen, dem Metabolismus und der Blutversorgung durch das vaskuläre System: der sogenannten neurovaskulären Kopplung (Faro & Mohamed, 2006).

1.7 Elektroencephalographie und Magnetencephalographie

Die Elektroencephalographie (EEG) und die Magnetencephalographie (MEG) bieten die Möglichkeit, die neuronale Aktivität direkt durch elektrische bzw. magnetische Änderungen aufzuzeigen. Obwohl beide Verfahren eine exzellente Zeitauflösung bieten, ist die räumliche Zuordnung dadurch erschwert, dass die Messungen von Außen aufge- nommen werden. Das Herausfiltern des Signalbeitrags einer bestimmten Struktur aus dem gesamten Signal wird nur durch komplizierte Rechenverfahren bedingt möglich. Um dieses Problem zu umgehen, werden, in manchen medizinisch notwendigen Fällen, aber hauptsächlich bei Tierexperimenten, Ableitungen von neuronaler Aktivität direkt im Gehirn vorgenommen. Der große Nachteil dieser invasiven Technik ist das mit ei- nem operativen Eingriff verbundene Risiko (Schad, 2006).

Tabelle 1: Einordnung der genannten neurophysiologischen Verfahren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.8 TMS

Die transkraniale Magnetstimulation (TMS) ist ein weiteres nicht-invasives Verfahren zur Untersuchung der Gehirnfunktion, das auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion basiert (Krings, 2001). Über magnetische Spulen können elektrische Ströme in gezielten Bereichen des Kortex erzeugt werden, die diese Bereiche temporär hemmen oder aktivieren (Hallet, 2000). Durch die Anwendung der TMS am motorischen Kortex können Bewegungen ausgelöst oder gehemmt werden. Untersuchungen des H-Reflexes, der zur Messung der Erregbarkeit von neuronalen Bahnen verwendet wird, zeigen, dass nicht die Leitfähigkeit der cortico-spinalen Bahnen variiert, sondern der Output der sti- mulierten Areale (Davey, 1994). Die TMS ermöglicht die Zuordnung von hemmenden und aktivierenden Funktionen eines stimulierten Areals durch eine Beobachtung der auftretenden Reaktion. Das Verfahren eignet sich daher besonders für die Lokalisation bestimmter motorischer Funktionen im Kortex (Gerloff, 1998). Die TMS kann darüber hinaus durch die wiederholte Stimulation kritischer Bereiche langfristige Effekte auf das Gehirn haben, die für die Therapie neurologischer Krankheiten ausgenutzt werden kön- nen (Hallet, 2000).

1.9 Kombination von Methoden

Die Kombination der Forschungsmethoden ist ein logischer Schritt, da keine Methode alleine alle funktionalen Parameter erfassen oder einen unbegrenzten Einsatzbereich aufweisen könnte (Huettel, 2004). Deswegen kombiniert man die Stärken der einzelnen Methoden.

Abbildung 2 : Methoden im Vergleich: Zeitliche und räumliche Auflösung bestimmen die Einsetzbarkeit der Methode. fMRT (gelb), kann z.B. nicht allein für die Beobachtung von einzelnen Neuronen eingesetzt werden (Gazzaniga, 2004).

Vor allem die Kombination von fMRT und TMS bietet Möglichkeiten für ein besseres Verständnis von neurologischen Veränderungen, was vor allem für die Erforschung von motorischen Ausfällen durch Schlaganfälle entscheidend ist (Bernard & Doyon, 2007). Die TMS kann gezielt Bereiche im Gehirn stimulieren, die anschließend ausgelösten Prozesse können mit der TMS allerdings nicht dokumentiert werden. Kombiniert man die TMS mit der fMRT, können die ausgelösten Prozesse lokalisiert und zeitliche Ver- läufe dargstellt werden. Ein wichtiger Schritt ist dabei die Verschmelzung der Daten in einem gemeinsamen Referenzsystem (Chiappa, 1995).

Abbildung 3: Kombinierte Anwendung von fMRT und TMS ermöglicht die Untersuchung der Art und die Lokalisation der Aktivierung, die durch eine Handbewegung verursacht wird: Aktivierung in den contralateralen (fetter Pfeil) und ipsilateralen (dünner Pfeil) Repräsentationen der Hand lokalisiert durch fMRT. Durch die TMS kann die Art der Aktivierung (Hemmung oder Erregung) untersucht werden (Krings, 2001).

Eine ähnliche Wirksamkeit wird der Kombination von EEG und fMRT nachgesagt. Das EEG ermöglicht das direkte und daher zeitlich exakte Aufnehmen der neuronalen Akti- vität. Eine zeitgleiche fMRT kann dazu verwendet werden diese Aktivität den Areale räumlich zuzuordnen. Eine Kombination der Methoden soll vor allem die Anwendbar- keit der Verfahren auf komplexere Fragestellungen ermöglichen (MacIntosh, 2007).

1.10 Geschichte der MRT und fMRT

Die Methode der fMRT speist sich aus den Entwicklungen vieler verschiedener wissen- schaftlicher Zweige. Die grundlegendste Rolle wird jedoch den Entdeckungen der Phy- sik zugeschrieben. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts beschrieb Pauli die Kerneigenschaf- ten die für diese Methode ausgenutzt werden: Kernspin und Kernmagnetismus (siehe Physikalische Grundlagen der fMRT). Seine Überlegungen wurden von Stern und Ger- lach, durch das nach ihnen benannte Experiment, bestätigt. Es wurde herausgefunden, dass in einer Gasstrahlung, die durch ein starkes Magnetfeld beeinflusst wird, nur dis- krete, daher bestimmte Werte für die Spinfrequenz und magnetische Momente der A- tomkerne auftreten. Durch dieses Experiment wurde deutlich, dass Atomkerne nur eine bestimmte Anzahl diskreter Werte annehmen können (Meschede, 2004).

1937 wurde ein weiterer Grundstein der fMRT durch das Experiment von Rabi gelegt. Er formuliert als erster das Konzept der nuklearen Magnet Resonanz (NMR). Rabi ent- deckte, dass durch ein oszillierendes Magnetfeld, das die gleiche Frequenz besitzt, wie die Kernspins der Probe, der Kern angeregt, beziehungsweise Energie auf den Kern übertragen wird. Weiter entdeckte er, dass die Frequenz der Kernspins und damit eben- falls die Resonanzfrequenz, abhängig von der Stärke des angelegten Magnetfeldes ist. Für seine Errungenschaften, unter anderem der ersten erfolgreichen Umsetzung des Magnetresonanz-Experiments (MR-Experiment), erhielt Rabi 1944 den Nobelpreis in Physik (Huettel, 2004).

In den Jahren 1945/46 übertrugen die Forscher Purcell und Bloch, unabhängig von ein- ander, das MR-Experiment auf gewöhnliche Proben. Purcell konnte anhand von einer Wachsprobe, wie Bloch mit seiner Wasserprobe, den Effekt der Magnetresonanz her- stellen. Sie platzierten ihre Proben in ein starkes Magnetfeld. Über eine Sendespule wurde ein variierbares elektromagnetisches Feld eingestrahlt. Die durch die Probe ab- sorbierte Energie konnte mit einer Empfängerspule gemessen werden (Bloch, 1946; Purcell, 1946). Dieser Experimentaufbau ist bis heute das Grundmuster der MRT.

Die MRT wurde zunächst in der Chemie zur Analyse von Proben angewandt. Dieses Verfahren wird als Magnetresonanzspektroskopie bezeichnet. Die biologisch- medizinische Anwendbarkeit wurde durch Damadian (1971) erkannt. Er untersuchte das Resonanzverhalten von Gewebe mit und ohne Krebszellen bei Ratten. Er entdeckte, dass sich mit Hilfe der MR gesundes und malignes Gewebe voneinander unterscheiden lassen. Damadians Beitrag zur Anwendbarkeit der MR beruht jedoch nicht nur auf die- ser Entdeckung. Er war auch derjenige, der mit seiner Forschungsgruppe die erste MR gestützte Darstellung des menschlichen Körpers erzeugte (Damadian, 1977).

Die Entwicklung der MR zum bildgebenden Verfahren, wurde maßgeblich durch die Überlegungen von Lauterbur bestimmt. Sein Prinzip der Ortskodierung (1972) ermög- licht es, durch den Einsatz von diskret ausgerichteten Gradienten (G), eine Lokalisation der Kernspins vorzunehmen. Die Gradienten können, örtlich und zeitlich exakt, Verzer- rungen des Magnetfeldes erzeugen. Dadurch wird eine ortsabhängige Frequenzver- schiebung der Kernspins erzeugt. Ein Jahr später erstellt Lauterbur das erste MR-Bild (Lauterbur, 1973).

Fortan wurde an der Entwicklung schnellerer Methoden gearbeitet. Eine besondere Messtechnik, die ihrerseits die notwendige hohe zeitliche Auflösung der fMRT ermög- lichen wird, erfand Mansfield. Seine echoplanare Bilderzeugung (engl. echo-planar i- maging: EPI), die 1976 entwickelt wurde, verbindet einen einzelnen Anregungspuls mit vielen variierenden Gradienten, die die Signale der Probe auslesen. Durch diese Technik kommt es zur deutlichen Verkürzung der Messzeit, zur verbesserten Anwendbarkeit und zur Erweiterung des Einsatzbereichs der fMRT. Als Würdigung ihrer Leistungen, wurde Lauterbur und Mansfield 2003 gemeinsam der Nobelpreis für Medizin zugesprochen.

Seit Mitte der 80er Jahre werden die MR-Tomographen in der medizinischen Diagnos- tik eingesetzt. Mit diesem Zeitpunkt setzt vor allem der kommerzielle Erfolg und die anhaltende technische Weiterentwicklung der MRT ein (Huettel, 2004).

1.11 Entwicklung zur BOLD-fMRT

Aus der MRT bildet sich Anfang der 90er Jahre eine funktionale Variante heraus. Die blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) fMRT ist eine spezifische Form der fMRT (Ogawa, 1990). Sie beruht auf unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von Blut bei Aktivität und Ruhe. Weitere funktionelle Anwendungen, wie die perfusions-, diffu- sions- und flussgewichtete fMRT werden in dieser Arbeit nur am Rande beschrieben. Das Prinzip der BOLD-fMRT basiert auf der vaskulären Kopplung. Durch diese Ver- bindung erhofft man sich, Rückschlüsse über neuronale Aktivität mit Hilfe des BOLD Signals machen zu können (Logothetis & Wandell, 2001). Als erste funktionale Expe- rimente, die einen Zusammenhang zwischen Aktivierung und Blutversorgung des Ge- hirns feststellten, gelten die Versuche von Mosso (1881) und Fulton (1928). Bei diesen Experimenten konnte bei Probanden, deren Schädelknochen Missbildungen zeigten, der Hirnpuls direkt abgenommen werden (Mosso) oder das Blutrauschen abgehört werden (Fulton).

Roy und Sherrington (1890) beschrieben als erste die grundlegende Theorie, dass der cerebrale Blutfluss (CBF) die neuronale Aktivierung des Gehirns widerspiegelt. Diese Theorie ist fortan die Basis für alle hämodynamischen Darstellungsmethoden des Ge- hirns (Faro & Mohamed, 2006). Der Zusammenhang zwischen neuronaler Aktivität, Metabolismus und Blutversorgung wird eingehend im Kapitel der physiologischen Grundlagen der fMRT beschrieben.

Eine für die Anwendbarkeit der funktionalen MRT wichtige Entdeckung wurde 1936 gemacht. Pauling und Kollegen zeigten, dass sauerstoffarmes und sauerstoffreiches Blut sich in ihren magnetischen Eigenschaften unterscheiden (Pauling, 1936.) Diese Er- kenntnis sollte erst 1990 durch die Forschungsarbeit von Ogawa und Kollegen ihr tat- sächliches Potential entfalten (Ogawa, 1990). Die Hypothese, dass ein stärkeres MR- Signal bei sauerstoffreichem Blut und ein schwächeres MR-Signal bei sauerstoffarmem Blut messbar ist, wurde von Thulborns Forschungsgruppe bestätigt. Weiter stellten sie einen Zusammenhang zwischen den relativen Signalunterschieden und der Magnetfeld- stärke fest (Thulborn, 1982). Eine ausführliche Beschreibung der Geschichte der bild- gebenden Verfahren ist in Posner & Raichle (1994) zu finden. Ein Kapitel speziell zur Entwicklung der fMRT liefern Huettel und Kollegen (2004) sowie Faro & Mohamed (2006). Diese Werke zeichnen sich, neben ihrer umfassenden Darstellung der Methode, durch eine sehr gute Verständlichkeit, trotz des schwierigen Themas, aus.

Die Entwicklung der Methode hat, mit zunehmender Anwendbarkeit auf unterschiedli- che Fragestellungen in einer weiten Bandbreite von Forschungsrichtungen, ein rasantes Tempo aufgenommen. Zum jetzigen Zeitpunkt werden vermehrt Kombinationen mit anderen Methoden, wie der TMS (Krings, 2001) oder der EEG (MacIntosh, 2007) er- forscht, um die Wirksamkeit der Methode zu erweitern.

2 Physikalische Grundlagen der fMRT

Im folgenden Kapitel werden die relevanten physikalischen Prinzipen und Termini ein- geführt. Die physikalischen Grundlagen geben einen Einblick in die Funktionsweise der fMRT. Es werden die wichtigsten Phänomene vorgestellt, die für die strukturelle und funktionale Bildgebung der MRT ausgenutzt werden. Dies ist notwendig, um ein Ver- ständnis für die Planung, Durchführung und Ergebnisse der funktionellen MRT (fMRT) und deren Anwendung in sportwissenschaftlichen Studien zu schaffen. Das Kapitel stellt innerhalb der Arbeit einen Schwerpunkt dar, weil das physikalische Hintergrund- wissen nicht nur ein Verständnis der Prozesse der Methode vermittelt, sondern auch die Anwendung von fMRT auf eine spezifische Fragestellung ermöglicht. Es soll durch diese Arbeit erreicht werden, über eine detaillierte Beschreibung der technischen Mög- lichkeiten, neue Ideen und Ansätze in der Bewegungsforschung mit Hilfe der fMRT zu finden und differenziertere Fragestellungen aufzuwerfen.

2.1 Grundlage der Magnetresonanztomographie

Die MRT beruht auf der Ausnutzung bestimmter physikalischer Phänomene (Radeleff, 2007). Diese Phänomene werden bereits teilweise durch die unterschiedlichen Bezeich- nungen des Abbildungsvefahren genannt. Im Volksmund wird die MRT auch als Kernspin bezeichnet. Dieser Begriff bezieht sich auf die Eigenschaft von Atomkernen, die ihrerseits die unmittelbare Grundlage für die Kernresonanz bildet. Ein gängiges Synonym für die MRT war in den frühen Jahren dieser Methode auch die Bezeichnung Nuklearmagnetresonanz (NMR). Durch diesen erweiterten Begriff wird deutlich, dass der Schwerpunkt der physikalischen Grundlagen auf der Ebene der Kernphysik liegt und dass Magnetismus und Resonanz eine Rolle spielen. Wir erfahren daher welche Phänomene das Messverfahren bestimmen und auf welcher Ebene sie stattfinden.

2.2 Kerneigenschaften

Die Kerneigenschaften sind von größter Bedeutung für die MRT. Sie bilden die Grund- lage der Methode und bestimmen die Ergebnisse. Ein wesentlicher Vorzug der Kernei- genschaften ist, dass sie sehr konstant sind und damit sehr exakte Messungen ermögli- chen. Das Wesen der Kerne bestimmt daher auch die Methode. Die Kerneigenschaften werden im Wesentlichen durch den Kernaufbau bestimmt:

Atome setzen sich aus Kernteilchen und Elektronen zusammen. Jedes Atom besitzt je nach Anzahl und Zusammensetzung dieser Elementarteilchen charakteristische Eigen- schaften: Masse, elektrische Ladung, Magnetismus und Spin. Für die MRT sind im be- sondern Maße der Kernmagnetismus und der Kernspin entscheidend. Obwohl Magne- tismus und Spin des Kerns kaum Einfluss auf das normale chemische und physikalische Verhalten von Stoffen nehmen, ist es durch sie möglich, feinste Objektstrukturen zu untersuchen, ohne diese nachhaltig zu beeinträchtigen (Levitt, 2006).

2.3 Kernspin

Der Spin, die wohl interessanteste Kerneigenschaft, ist leider gleichzeitig auch die Komplizierteste:

„Spin ist das Drehmoment eines Teilchens in Ruhe. Es ist eine intrinsische und unver- änderliche Eigenschaft des Teilchens, genau wie seine Masse.“

(Ho Kim, 2004)

Dieses Zitat stellt für das normale Verständnis einen Widerspruch dar. Denn der Kern verhält sich als ob er rotiert, ohne dies tatsächlich zu tun. Ein Spin ist also eine Art von Winkelmoment, das nicht auf der Rotation des Teilchens beruht (Levitt, 2006). Dies wird für den physikalischen Laien schwer nachvollziehbar sein. Aber auch die Autoren,

die sich um eine verständliche und trotzdem richtige Darstellung bemühen, liefern kein kohärentes Konzept.[1] Wie der Physiker Levitt bestätigt, sei das Konzept des Spins so kompliziert, das es weder mit geometrischen noch physikalischen Ansätzen vollkom- men beschrieben werden könnte (2006). Schwerer wird einem die Vorstellung dadurch gemacht, dass es für den Kernspin kein vergleichbares Beispiel in unserer alltäglichen Welt gibt, dass wir mit unseren Sinnen erfahren oder mit einfachen Phänomenen dar stellen können.

„Es gibt kein klassisches Analogon zu diesem quantenmechanischem Phänomen.“

(Ho Kim, 2004)

Die gängige Literatur, die für dieses Kapitel verwendet wurde, stellt den Kernspin je- doch als Rotation dar. Dies ist der besseren Anschaulichkeit und der Ursache, dass das Konzept bislang nicht ausreichend erforscht ist, zuschreiben.

2.4 Kernmagnetismus

Der Kernmagnetismus ist eine weitere intrinsische Eigenschaft des Atoms. Über den Kernmagnetismus, der im Vergleich zum Elektronenmagnetismus viel schwächer ist, kann der Kern mit magnetischen Feldern interagieren.

„Nukleonen generieren magnetische Felder und interagieren mit anderen magnetischen Feldern durch ihr magnetisches Moment.“

(Basedevant, 2005)

Durch das Drehmoment eines geladen Teilchens wird ein elektrischer Kreisstrom er- zeugt. Dieses besitzt wie ein Elektromagnet ein magnetisches Feld (Meschede, 2004). Die Drehachse des Atomkerns entspricht der Wirkungsrichtung der erzeugten magneti- schen Kraft. Durch diesen Zusammenhang wird ein Kernspin oft mit einem mikroskopi- schen Dipolmagneten verglichen (siehe Abbildung 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Kernspin als Dipolmagnet (Frings & Baumann, 2007).

2.4.1 Das magnetische Kernmoment

Die Atomkerne mit ungerader Nukleonenzahl besitzen wegen ihrer Ladung und dem Drehmoment ein magnetisches Moment mit der Bezeichnung m . Der Vektor des mag- netischen Moments m beschreibt Richtung und Stärke des Kerndipolfelds und liegt kor linear zum Drehimpuls I des Kernspins (siehe Abbildung 5). Der Kernspin und das magnetische Kernmoment stehen in Proportion zueinander. Je stärker die Rotations- energie, desto größer ist auch die magnetische Kraft des rotierenden Kerns. Der Zu- sammenhang zwischen Kreiselobjekt und Magnetismus wird als Gyromagnetismus be- schrieben (Meschede, 2004).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Rotation von positiver Ladung erzeugt ein magnetisches Kernmoment dessen Ausrichtung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] kolinear mit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Drehachse des Kernspins ist (Brix, 2006).

2.4.2 Das gyromagnetische Verhältnis

Das gyromagnetische Verhältnis wird durch die Konstante [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] beschrieben und hat für jeden Kern eines bestimmten Stoffes eine charakteristische Größe.

Das gyromagnetische Verhältnis [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ergibt sich aus dem magnetischem Kernmoment [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und dem Drehimpuls [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (siehe Gleichung 1). Die Konstante [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] spielt für die MRT eine entscheidende Rolle. Sie ermöglicht die Steuerung und Analyse der Kernspindaten (Siehe Larmor-Frequenz und der Kernspin im Magnetfeld).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5 Ausnutzung des Kerneigenschaften für die MRT

Obwohl Kernmagnetismus und Kernspin einen getrennten Ursprung besitzen, so sind ihr Auftreten und ihre Auswirkungen nur schwer voneinander abgrenzbar.

Trotz der Ungereimtheiten über das wahre Wesen der Kerneigenschaften, ist man in der Lage durch wissenschaftliche Errungenschaften in der Kernphysik, die Manipulation von Spins für die MRT auszunutzen (Levitt, 2006).

Alle Elementarteilchen wie Nukleonen und Elektronen besitzen einen Spin, jedoch ist für die MRT gerade der Spin der Kerne, wegen seiner konstanten Eigenschaften, von besonderem Interesse. Die Spineigenschaften der Kerne werden nicht so stark durch die Umgebung beeinflusst, wie die der Elektronen. Die sehr stabilen Kerneigenschaften erklären die exakten Messungen mit Hilfe der MRT. Diese besondere Eigenschaft der Kernteilchen erfordert auf der einen Seite sehr empfindliche Messgeräte, ermöglicht aber im Gegenzug genaue Aussagen über den Zustand der Objektstruktur (Lilly, 2001). Der Kernspin wird durch die Einzelspins seiner Bestandteile, den Nukleonen (Neutro- nen und Protonen) hervorgerufen. Ist die Summe dieser Kernteilchen gerade, gleichen sich ihre einzelnen Spins aus. Atome mit einer geraden Summe aus Neutronen und Pro- tonen besitzen daher keinen Gesamtkernspin und eignen sich nicht für den direkten Nachweis durch ein MR-Experiment[2] (Brix, 2006).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Heliumatoms. Es besitzt zwei Neutronen und zwei Proto- nen. Die Einzelspins der Nukleonen heben sich gegenseitig auf. Nicht direkt im MR-Experiment nach- weisbar (Frings,2007).

Besitzt ein Atom jedoch nur ein Proton, wie es beim Wasserstoff der Fall ist, oder ergibt sich aus der Anzahl der Kernteilchen eine ungerade Summe, gleichen sich die Ein- zelspins nicht aus. Ein solches Atom besitzt daher einen Kernspin. (Brix, 2006)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Bei ungerader Nukleonenzahl, ergibt sich ein Gesamtspin. Dieser Spin wird im MR- Experiment ausgenutzt und in der Kernspintomographie dargestellt (Frings & Baumann, 2007).

Für den direkten Nachweis im MR-Experiment eignen sich daher nur solche Atome, die eine ungerade Anzahl von Nukleonen besitzen und deren Gesamtkernspin folglich grö- ßer als Null ist. Ein solches Atom ist zum Beispiel das Wasserstoffatom 1H (Graf, 2003).

2.6 Wasserstoff in der MRT

Ein Wasserstoffatomkern besteht aus nur einem Proton. Es weist somit einen Gesamt- kernspin auf und erfüllt dadurch die Bedingung für den direkten MRT Nachweis. Was- serstoff spielt für die MRT des Menschen aus mehreren Gründen eine entscheidende Rolle. Nicht nur das hohe Vorkommen in biologischem Gewebe, sondern auch die her- vorragenden Kernresonanzeigenschaften, die im weiteren Verlauf der physikalischen Grundlagen weiter vertieft werden, machen Wasserstoff zum wichtigsten Element für die Erforschung des menschlichen Körpers mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanz. (Radeleff, 2007)

Das in jedem biologischen Gewebe auftretende Element besitzt außerdem das größte gyromagnetische Verhältnis. Wasserstoff ist daher durch ein äußeres Magnetfeld schneller beeinflussbar als jedes andere Element. Je größer das gyromagnetische Ver- hältnis, desto kürzer sind die Relaxationszeiten. Diese erlauben kürzere Messzeiten und folglich schnellere MRT-Untersuchungen (Brix, 2006).

Die Atome Kohlenstoff und Sauerstoff, die auch in großen Mengen im menschlichen Organismus vorkommen, sind für das MR-Experiment nicht geeignet, da sich ihre Ein- zelspins gegenseitig ausgleichen (Meschede, 2004).

2.7 Der Kernspin im biologischen Gewebe

Bei einer biologischen Probe, wie in Abbildung 8 dargestellt, sind die magnetischen Momente in einem Volumenelement (Voxel) ungeordnet und kompensieren ihre mag- netischen Momente gegenseitig, so dass nach außen keine magnetische Kraft wirkt. Bevor die Probe durch ein Magnetfeld beeinflusst wird, befinden sich die Dipole in ei- nem Zustand der Unordnung, der als Entropie bezeichnet wird. Die ungeordnete Aus- richtung stellt für die Kerne ein günstiges, da möglichst niedriges Energieniveau dar (Brix, 2006; Radeleff, 2007).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Ungeordnete Ausrichtung der Kernspins oder Entropie der Kernspins ohne extern angeleg- tes Magnetfeld in biologischem Gewebe. Die magnetischen Momente im Volumenelement kompensieren sich gegenseitig (Frings & Baumann, 2007).

2.8 Der Kernspin im Magnetfeld

Die erste Vorrausetzung für die MRT, das Vorhandensein von Kernspins, wurde nun beschrieben. Bisher wurde das Verhalten der Kernspins ohne ein von außen angelegtes Magnetfeld betrachtet. Wird die Probe jedoch durch ein starkes magnetisches Grundfeld beeinflusst, treten mehrere kernspezifische Phänomene auf: erstens eine Ausrichtung der Kernspins und zweitens eine Präzession der Kernspins in einer bestimmten Fre- quenz (Radeleff, 2007).

2.9 Das magnetische Grundfeld

Im Folgenden werden die Eigenschaften des Magnetfeldes und dessen Einfluss auf das MR-Experiment beschrieben. Die Stärke eines Magnetfelds wird in Tesla (T), der Ein- heit für magnetische Flussdichte, angegeben. Die Magnetfeldstärken reichen in der kli- nischen MRT von 0,02 bis 9,4 T. Zur Veranschaulichung dieser Größenbereiche, kann man im Vergleich dazu die Stärke des Erdmagnetfelds heranziehen; sie beträgt 0,00005 T (Möller, 2006).

Durch die starke magnetische Wirkung wird ein wichtiger Effekt erzeugt, der die Ge- nauigkeit der MRT erklärt: die Kernspins werden von dem Einfluss der Elektro- nenspins, die ebenfalls als rotierende Teilchen ein magnetisches Moment aufweisen, entkoppelt. Dies ermöglicht die exakten Aussagen über die Beschaffenheit der Kernzu- stände innerhalb der Probe. Die Entkoppelung wird durch den Pauschen-Beck-Effekt beschrieben (Meschede, 2004). Die Stärke des Magnetfeldes hat zusätzlich einen Ein fluss auf die Relaxationszeiten. Der genauere Zusammenhang zwischen Magnetfeld- stärke und Relaxationsverhalten wird im Abschnitt Relaxationsprozesse und fMRT be- handelt.

2.10 Ausrichtung der Kernspins im Magnetfeld

Durch das Anlegen eines starken Magnetfeldes, in Form des Grundfelds [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], werden die Kernmomente der Protonenspins in zwei bestimmte Ausrichtungen zu den Magnetfeld- linien von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] gezwungen: die parallele und die antiparallele Ausrichtung. Sie repräsen- tieren zwei mögliche Energiezustände von Wasserstoffspins im Grundfeld B0 (Radeleff, 2007).

Dieser Vorstellung merkt Levitt an, dass nicht die geometrische Ausrichtung des Kerns- pins in zwei mögliche Ausrichtungen aufgeteilt sei, jedoch die Wirkungsrichtung des Kernmoments, welches durch das gyromagnetische Verhältnis bestimmt wird. Dieses kann entweder positiv oder negativ sein. Bei einem Großteil der Atomkerne liegen posi- tive Werte für das magnetische Moment vor. Das magnetische Moment ist dann parallel zum Winkelmoment. Bei negativen Werten ist die Ausrichtung des magnetischen Mo- ments dem Winkelmoment entgegengesetzt (Levitt, 2006).

Diese Ausrichtungen der Kernmomente zu ihrem Kernspin stellen bestimmte Energie- zustände dar. Die Quantenmechanik beschreibt die Vorgänge auf der Atomebene und daher das Verhalten eines einzelnen Kernspins. Ihr zur Folge springen die Kernspins nur auf bestimmte, daher diskrete Energiezustände über (Brix, 2006). Die für Wasser- stoff möglichen Energiezustände werden durch die magnetische Quantenzahl [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] be- schrieben. Die magnetischen Quantenzahlen sind entweder positiv (m = +1/2) oder ne- gativ (m =-1/2). Bei der positiven Quantenzahl des Wasserstoffs spricht man von einer parallelen Ausrichtung zu B0, die negative Quantenzahl wird als antiparallele Ausrich- tung bezeichnet (Meschede, 2004).

Die parallele Ausrichtung stellt einen minimal günstigeren energetischen Zustand dar. Das Energieniveau der antiparallelen Ausrichtung ist energetisch höher und somit un- günstiger. Die möglichen energetischen Zustände werden in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Mögliche energetische Zustände der Kernspins im statischen Magnetfeld: parallele (m = +1/2) und antiparallele (m =-1/2) Ausrichtungen zu B0 (Levitt, 2006 ; Brix, 2006).

2.10.1 Die Boltzmann-Verteilung

Die Boltzmann-Verteilung beschreibt das Verhältnis der parallelen und antiparallelen Ausrichtungen der Kernspins in einem Magnetfeld. Bei konstanter Temperatur und Magnetfeldstärke, stellt sich ein thermisches Gleichgewicht ein. (Brix, 2006). Da die parallele Ausrichtung zum externen Magnetfeld einen minimal günstigeren energeti- schen Zustand darstellt, überwiegt die Anzahl der Spins mit der parallelen Orientierung (Meschede, 2004). Das Verhältnis von antiparallelen und parallelen Ausrichtungen ist jedoch keineswegs deutlich ausgeprägt: auf 1 Kernspin mit m =-1/2, kommen lediglich 1,000007 Kernspins mit m = +1/2. Ein makroskopischer Effekt ist nur durch die enorme Anzahl der Kernspins innerhalb der Probe zu erklären. Die ungefähre Anzahl der Protonenkernspins im menschlichen Körper liegt bei 1027 (Radeleff, 2007).

2.11 Längsmagnetisierung

Als Konsequenz des Übergewichts von parallel ausgerichteten Kernspins tritt eine Längsmagnetisierung auf. Die Ausrichtung der Gesamtmagnetisierung entspricht der Längsmagnetisierung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Da dies der Grundzustand der Kernmomentverteilung in Grundfeld [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist, bezeichnet man die Längsmagnetisierung auch als Grundmagnetisie- rung. Die Längsmagnetisierung stellt einen Gleichgewichtszustand dar, der durch die Boltzmann-Verteilung beschrieben ist. (Meschede, 2004).

2.11.1 Der Gesamtmagnetisierungsvektor

Die makroskopische Ausrichtung der Kernspins wird durch den Gesamtmagnetisie- rungsvektor beschrieben. Addiert man die Anzahl der Vektoren der einzelnen Kernmo- mente, erhält man einen makroskopischen, magnetischen Effekt, der als Gesamtmagne tisierung M bezeichnet wird. Beim MR-Experiment wird immer der Vektor Gesamt magnetisierung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] beobachtet und nicht der einzelne Beitrag eines individuellen Kernspins (Brix, 2006). Der Gesmatmagnetisierungsvektor ist die hauptsächlich be- trachtete Größe des MR-Experiments. Sein Verhalten ist von ausreichender Größe um technisch gemessen zu werden und gibt Aufschluss über die ihm zugrunde liegenden Prozesse.

Abbildung 10: Überwiegende parallele Orientierung der Kernmomente (m=+1/2) ist Ursprung für makroskopische Längsmagnetisierung mit der Größe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (Brix, 2006). Die Ausrichtung der Gesamtmagnetisierung entspricht der Längsmagnetisierung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] .

Der Aufbau einer der Längsmagnetisierung ist von der magnetischen Suszeptibilität der Probe abhängig. Je nach dem, wie stark diese Magnetisierungsfähigkeit ist, relaxiert die Probe schneller oder langsamer. Die Dauer des Aufbaus dieser Längsmagnetisierung oder Längsrelaxation wird mit der gewebespezifischen Zeitkonstanten T1 dargestellt (Levitt, 2006). Eine vertiefende Beschreibung der Relaxationsprozesse und deren Aus- nutzung für die MRT erfolgt im weiteren Verlauf der Arbeit.

2.12 Präzession der Kernspins

Befindet sich der gyromagnetische Kernspin in einem starken Magnetfeld, beginnt er zu kreiseln. Diese Bewegung wird als Präzession bezeichnet. Wie bereits beschrieben ver- hält sich der Kernspin wie ein Dipolmagnet, jedoch weist der Kernspin ein Drehmoment auf. Eben diese Eigenschaft erklärt die Präzession des Kernspins. Durch dieses Dreh- moment können sich die magnetischen Momente, die durch das magnetische Feld be- einflusst werden, nicht einfach nach den Feldlinien ausrichten, sondern präzedieren um diese herum. Um dieses Verhalten zu verbildlichen, kann man als Beispiel einen ge- wöhnlichen Kreisel heranziehen. In Abbildung 11 wird dargestellt, wie sehr sich ein normaler Kreisel, der in seiner Bewegung durch einen seitlichen Auslenkimpuls ins Trudeln geraten ist, und die Präzessionsbewegung des Kernspins im Magnetfeld, äh- neln. (Brix, 2006) Aus der Abbildung wird ebenfalls ersichtlich, dass die Bezeichnun- gen „parallele und antiparallele Ausrichtung“ nicht ganz korrekt sind. Denn nicht die Drehachsen der einzelnen Spins sind parallel oder antiparallel zu den Feldlinien von B0, sondern die makroskopische Wirkung der gesamten Spins (Radeleff, 2007).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Vergleich zwischen mechanischem und atomarem Kreisel (Brix, 2006). Durch den Dreh- impuls L wird der mechanische Kreisel vor dem Umkippen bewart. Seine Präzessionachse wird durch den Vektor der Schwerkraft G dargestellt. Beim atomaren Kreisel wird G durch [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ersetzt. Das mit dem Dreh- impuls verbundene magnetische Kernmoment präzediert um die Feldlinien von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].

2.12.1 Die Larmor-Frequenz

Die Larmor-Frequenz beschreibt die Frequenz der Kreiselbewegung. Sie ergibt sich aus dem kernspezifischen gyromagnetischen Verhältnis, sowie der Feldstärke. Für Wasser- stoff wird bei einem Tesla von 1,0 eine Präzessionsfrequenz von 42,577 MHz erreicht (Ludwig, 2002). Bei einer Feldstärke von 11,4 Tesla, rotieren die Protonenkernspins ungefähr 500.000.000 Mal pro Sekunde um eine Magnetfeldlinie. Da die Larmor- Frequenz im proportionalen Verhältnis zu der Magnetfeldstärke steht, kann man für jede Magnetfeldstärke die exakte Larmor-Frequenz bestimmen. Da das gyromagnetische Verhältnis eine Stoffkonstante ist, kann man bei bekannter Magnetfeldstärke Stoffe an- hand der Larmor-Frequenz analysieren. Die Larmor-Gleichung wird bei der MRT für das Verfahren der Ortskodierung angewandt (Lauterbur, 1973). Die Theorie der örtli- chen Kodierung wird im späteren Verlauf der Arbeit beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.13 Zusammenfassung Kernspin

Es wurde das Verhalten des Kernspins mit und ohne magnetisches Grundfeld beschrie- ben. Die Ursache des Kernspins ist der Eigendrehimpuls seiner Kernteilchen: den Neut- ronen und Protonen. Ist deren Anzahl ungerade, also wie im Falle des Wasserstoffs, der nur ein Proton aufweist, tritt ein Kernspin auf. Im Zusammenhang mit dem Kernspin steht das magnetische Kernmoment. Die Stärke des Kernmoments ergibt sich aus dem Drehimpuls und dem kernspezifischen Rotationsfaktor. Dieser Zusammenhang wird durch das gyromagnetische Verhältnis beschrieben.

Durch das Anlegen eines starken magnetischen Feldes, werden die Kernmomente beein- flusst und die Kernspins, entsprechend der Boltzmann-Verteilung, ausgerichtet. Diese Verteilung beschreibt das Verhältnis von parallel und antiparallel zum Grundfeld ausge- richteten Kernspins. Im Verhältnis überwiegen die parallelen Ausrichtungen, da diese einen energetisch günstigeren Energiezustand darstellen. Aus diesem Übergewicht an parallel ausgerichteten Kernmomenten, ergibt sich eine makroskopische und daher messbare Längsmagnetisierung der Probe. Die Längsmagnetisierung M0 stellt den Grundzustand der Gesamtmagnetisierung M in einem Grundfeld B0 dar. In dieser Aus- richtung präzedieren die Kernspins in Larmor-Frequenz. Da sie sich aus dem gyro- magnetischen Verhältnis und der Feldstärke B0 ergibt, ist es möglich die Larmor- Frequenz gezielt zu manipulieren. Das Verhalten der Kernspins wird durch die Abbildung 12 verdeutlicht (Meschede, 2004; Radeleff, 2007). Die Konstanz der Kern- eigenschaften erlaubt die exakte Analyse von Proben und die gezielte Anregung von bestimmten Atomen. Experimente die diese Eigenschaften ausnutzen, werden im fol- genden Kapitel beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Darstellung des Verhaltens der Kernspins im Magnetfeld. Die in Larmor-Frequenz präzedieren- den Kernspins richten sich Ihrer Quantenzahl m entsprechend parallel oder antiparallel aus. Die parallele Aus- richtung überwiegt und es entsteht eine Längsmagnetisierung der Probe. Diese wird durch die makroskopische Magnetisierung beschrieben M. Ihr Vektor [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist parallel zum Vektor des Grundfeldes [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] .

2.14 Kernmagnetresonanz

„Die Drehung mikroskopischer Gyromagneten in einem periodisch veränderlichem magnetischem Feld“, bildet die experimentelle Grundlage der Magnetresonanz (Me- schede, 2004). Das Phänomen der magnetischen Kernresonanz besteht darin, dass die Kernspins in einem Magnetfeld, durch eine Überlagerung mit einer elektromagnetischen Strahlung (HF-Impuls), bei einer ganz bestimmten Frequenz, der Resonanz- oder Lar- mor-Frequenz, Energie aufnehmen und ihren Energiezustand verlassen und „gedreht“ werden. Nach Ausbleiben der Strahlung „drehen“ die Spins zurück und geben dabei die aufgenommene Energie wieder ab (Meschede, 2004).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Übergang in höheren energetischen Zustand ( von m=+1/2 zu m=-1/2). Dadurch wird das Verhältnis der Ausrichtungen zu Gunsten der antiparallelen verändert. Dies bedeutet eine Auslenkung aus dem Grundzustand (thermischen Gleichgewicht) und eine Abnahme der Längsmagnetisierung.

2.15 Resonanzbedingung

Die Resonanzbedingung stellt den qualitativen Anspruch an den HF-Impuls. Damit es zur Energieübertragung kommt, muss der induzierte HF-Impuls die gleiche Frequenz aufweisen wie die Larmor-Frequenz (Radeleff, 2007). Dies kann entweder durch eine Regulation von ω0 Larmor-Frequenz durch Anpassung der Grundfeldstärke oder durch ein Einstellen von der Frequenz des HF-Impulses ωHF geschehen. Daraus ergibt sich die Resonanzbedingung (Brix, 2006).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 3: Resonanzbedingung (Brix, 2006)

2.16 Prinzipieller Aufbau eines MR-Experiments

Für die Erklärung der Magnetresonanz ist die Einführung einer technischen Komponen- te notwendig. Der bereits erwähnte HF-Impuls wird durch eine bestimmte Einrichtung generiert: Die Hochfrequenzeinheit setzt sich zusammen aus einem Sender, der über eine Hochfrequenzspule (HF-Spule) dem Grundfeld eine Strahlung (HF-Impuls) überla- gert und einer Empfängereinheit, die über die gleiche Spule ein resultierendes Signal (MR-Signal) aus der Probe aufnimmt.

Der einfachste Aufbau eines MR-Experimentes besteht aus einem Magneten, der ein statisches Magnetfeld erzeugt, einer Sender- und Empfängereinheit, sowie einer HF- Spule, die Strahlung in die Probe induziert und das Resonanzsignal der Probe aufnimmt. Abbildung 14 zeigt das statische Magnetgrundfeld [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] zwischen den magnetischen Polen N und S. Der schematische Aufbau ist ausreichend, um den Effekt der Magnetresonanz auszulösen und ein Signal der Probe zu messen. Er muss allerdings später durch zusätz- liche Komponenten erweitert werden, um bestimmte Informationen aus der Probe zu bekommen und die bildliche Darstellung der MR-Daten zu ermöglichen. Die für die MR-Bildgebung verwendeten Komponenten und Techniken werden im dritten Kapitel genauer beschrieben. Für die Einordnung der physikalischen Prozesse im Ablauf des MR-Experiments ist ein einfacher Aufbau besser geeignet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 14: Prinzipieller Aufbau eines MR-Experiments. System aus magnetischem Grundfeld Bo und Probe. Sender- und Empfängereinheit mit HF-Spule. HF-Impuls ist nicht eingeschaltet.

2.17 Ablauf des MR-Experiments

Der prinzipielle Aufbau des MR-Experiments soll nun als Bezugssystem für die Aus- führungen zum Ablauf des MR-Experiments dienen. Zunächst wird die Probe magneti- siert. Sind die Kernspins der Probe relaxiert, kann mit dem zweiten Schritt der Manipu- lation durch einen HF-Impuls begonnen werden. Nach einer definierten Zeit wird der Impuls ausgeschaltet und ein Signal über die Empfangsspule aus der Probe empfangen (Brix, 2006).

2.17.1 Probe im Magnetfeld

In die Probe wird ein starkes und möglichst gleichmäßiges Magnetfeld induziert.

[...]


[1] Es sollte angemerkt werden, dass die verwendete Literatur kein kohärentes Konzept zum Kernspin an- bietet. Die am treffendsten und trotzdem verständlichen Anmerkungen sind, nach meiner persönlichen Meinung, in Levitt zu finden. Dort wird der Kernspin als Phänomen beschrieben, welches in seinen Kon- sequenzen einer Rotation gleicht, ohne jedoch selbst eine Rotation zu besitzen. Der Großteil der Literatur blendet die Ursachen des Spins aus und beschreibt ausschließlich die Konsequenzen. Die darin verwende- ten Begriffe wie Drehachsen und Drehmomente dienen vor allem der Anschaulichkeit.

[2] Indirekt Messbar, da Atome ohne Kernspin die Atome mit Kernspin, die im MR- Experiment nachweisbar sind, beeinflussen können. Dieser Zusammenhang wird im Kapitel zur chemischen Verschiebung geklärt.

Details

Seiten
153
Jahr
2008
ISBN (eBook)
9783640201228
Dateigröße
3 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v117793
Institution / Hochschule
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg – Instituts für Sport und Sportwissenschaft
Note
1,5
Schlagworte
Einsatz Magnetresonanztomographie Erforschung Bewegungskontrolle

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Titel: Der Einsatz von funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) zur Erforschung der supraspinalen Bewegungskontrolle