Aus der Klinik für Neurologie und Neurophysiologieder Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Die plastische Veränderung der grauen und

weiÿen Substanz nach einer mehrtägigen

Spiegeltherapie

Inaugural-Dissertation zurErlangung des Medizinischen Doktorgrades

an der Medizinischen Fakultätder Albert-Ludwigs-Universität

Freiburg im Breisgau

vorgelegt 2014von Yue Che

geboren in Hefei/China

II

Dekanin: Prof. Dr. Kerstin Krieglstein

1. Gutachter: Prof. Dr. Farsin Hamzei

2. Gutachter: Prof. Dr. Rudolf Korinthenberg

Jahr der Promotion: 2015

III

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis VI

Tabellenverzeichnis VII

1 Einleitung 1

1.1 Neuronale Plastizität als Grundlage der Schlaganfallrehabilitation . 1

1.2 Verschiedene rehabilitative Maÿnahmen . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1 Traditionelle Therapieformen . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.2 Innovative Konzepte der Rehabilitationstherapie . . . . . . 2

1.2.3 Die Spiegeltherapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Veränderungen der grauen und weiÿen Substanz durch Training . . 7

2 Grundlagen und Methodik 10

2.1 Probanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Studiendesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Ablauf der Test- und Trainingseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Grundlagen der Magnetresonanztomographie . . . . . . . . . . . . 18

2.5 Grundlagen der Voxel-basierten Morphometrie . . . . . . . . . . . 19

2.5.1 Normalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.5.2 Segmentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5.3 Smoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5.4 Statistische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.6 Grundlagen der Di�usion-Tensor-Bildgebung . . . . . . . . . . . . 23

IV

2.7 Ablauf der MRT-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.8 Auswertung der behavioristischen Daten . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.8.1 Übungen-Einzelanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.8.2 Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.9 MRT-Daten-Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.9.1 VBM-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.9.2 DTI-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.9.3 Korrelationsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3 Ergebnisse 29

3.1 Behavioristische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.1 Trainierte rechte Hand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.1.2 Nicht trainierte linke Hand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2 MRT-Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2.1 VBM-Änderungen in der grauen Substanz . . . . . . . . . . 33

3.2.2 VBM-Änderungen in der weiÿen Substanz . . . . . . . . . . 37

3.2.3 Fraktionelle Anisotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4 Diskussion 41

4.1 Behavioristische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2 MRT-Daten, Veränderungen in der grauen Substanz . . . . . . . . 42

4.3 MRT-Daten, Veränderungen in der weiÿen Substanz . . . . . . . . 47

5 Zusammenfassung 49

6 Literaturverzeichnis 51

V

Abbildungsverzeichnis

2.1 Spiegelgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2 Kontrollgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Übung 1: Murmeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Übung 2: NHPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Übung 3: Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.6 Übung 4: Mikado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.7 Übung 5: Gummibänder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.8 Darstellung der einzelnen Schritte der Voxel-basierten Morphometrie 22

3.1 Prozentuale Verbesserung der rechten Hand . . . . . . . . . . . . . 31

3.2 Prozentuale Verbesserung der linken Hand . . . . . . . . . . . . . 32

3.3 VBM SMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.4 Korrelationsdiagramm SMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5 VBM M1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.6 Korrelationsdiagramm M1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.7 VBM Gyrus fusiformis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.8 VBM Cerebellum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.9 Korrelationsdiagramm WS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.10 VBM weiÿe Substanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.11 VBM extrema capsula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.12 FA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.13 Korrelationsdiagramm STS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

VI

Tabellenverzeichnis

3.1 Signi�kanz der Unterschiede in den Testergebnissen der linken Hand

zwischen Spiegel- und Kontrollgruppe im Verlauf . . . . . . . . . . 29

3.2 Absolute und prozentuale Mittelwerte der Testeinheiten der rechten

Hand der Spiegelgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3 Absolute und prozentuale Mittelwerte der Testeinheiten der rechten

Hand der Kontrollgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4 Absolute und prozentuale Mittelwerte der Testeinheiten der linken

Hand der Spiegelgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5 Absolute und prozentuale Mittelwerte der Testeinheiten der linken

Hand der Kontrollgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

VII

1 Einleitung

Der Schlaganfall ist eine der häu�gsten Erkrankungen im höheren Lebensalter, in

Deutschland ist sie die sechsthäu�gste Todesursache und die häu�gste Ursache

für dauerhafte Behinderungen [25, 55]. Mit einer Häu�gkeit von etwa 250.000

Fällen pro Jahr stellen die Kosten für Akutbehandlung sowie Rehabilitation und

weitere Folgekosten des Schlaganfalls bedeutsame Ausgaben im Gesundheitswesen

dar [24, 16]. Die Hemiparese ist eine der wesentlichen Folgen eines Schlaganfalls.

Patienten, die eine chronische Arm- und Handparese beibehalten, leiden an deut-

lichen Einschränkungen und sind im Alltag auf fremde Hilfe angewiesen. Daher

ist die anschlieÿende Rehabilitation nach einem Schlaganfall eine enorm wichtige

Maÿnahme zur Wiedererlangung der Funktion der gelähmten Extremität.

1.1 Neuronale Plastizität als Grundlage der

Schlaganfallrehabilitation

Die Plastizität beschreibt die Kapazität des Gehirns, die neuronalen Netzwerke in

Abhängigkeit von der Anforderung verändern zu können. Die Organisation der Syn-

apsen wird modi�ziert, indem sich entweder die Verbindungen zwischen einzelnen

Zellen stärken oder schwächen. Als Beispiel gilt die somatotopische Organisation

des primären sensorischen Kortex, die nicht starr ist, sondern sich plastisch entspre-

chend der Anforderung verändert, wie in verschiedenen Arbeiten von Wall, Kaas

und Merzenich in den 70er und 80er Jahren bewiesen wurde [35, 23, 61].

Nudo et al. [38] erstellten kortikale Karten von A�engehirnen vor und nach ei-

1

ner subtotalen Läsion am Rindenfeld der Hand. Bei einer A�engruppe führten die

Forscher ein Rehabilitationstraining der Hand durch und bei der anderen nicht. Sie

konnten zeigen, dass bei der Kontrollgruppe das Rindenfeld angrenzend zur Läsion

verloren ging und bei der Trainingsgruppe nicht. Bei der Trainingsgruppe wanderte

das Handterritorium zu Kortexarealen, welche zuvor Ellenbogen und Schulter zu-

geordnet waren. Dieses �Remapping� im periläsionalen Kortex ging auch mit einer

Verbesserung der Handmotorik in der Trainingsgruppe einher. Dies zeigt, dass der

Kortex zur Reorganisation fähig ist, insbesondere wenn es durch gezieltes Training

induziert wird. Zahlreiche weitere Arbeiten konnten diese Fähigkeit der Reorgani-

sation in Tier- und Menschenversuchen reproduzieren [20] und unterstrichen die

Wichtigkeit der Rehabilitation nach einem Schlaganfall.

1.2 Verschiedene rehabilitative Maÿnahmen

1.2.1 Traditionelle Therapieformen

Die traditionellen neurorehabilitativen Therapieformen sind unter anderem die Bobath-

Therapie und die propriozeptive neuromuskuläre Fazilitation (PNF). Durch gezielte

Behandlungstechniken werden Bewegungsfolgen und -übergänge aufgebaut sowie

Gleichgewichtsreaktionen und die Körperwahrnehmung verbessert. Beide Thera-

pieformen sind bereits empirisch untersucht worden [52, 1, 5]. In den letzten Jah-

ren haben weitere Therapieformen ihren Einsatz in der Neurorehabilitation gefun-

den, zu diesen zählen beispielsweise die �Constraint-Induced-Movement-Therapie�

(CIMT) [60, 62] und das Schädigungs-orientierte Training (�Impairment-Oriented

Training�) [41].

1.2.2 Innovative Konzepte der Rehabilitationstherapie

Die �Constraint-Induced-Movement-Therapie� (CIMT) ist eine intensivierte reha-

bilitative Therapieform, um die Plastizität des Gehirns zu fördern. Die Therapie

2

forciert das Training mit der betro�enen Hand, indem die weniger betro�ene Hand

durch eine Schiene für den Groÿteil der Wachperiode immobilisiert wird. Mit dieser

Vorgehensweise wird die betro�ene Seite verstärkt zum Gebrauch gezwungen [59].

Damit werden Anpassungsphänomene wie der �erlernte Nichtgebrauch� umgekehrt.

Die positive Wirkung von CIMT wurde in zahlreichen Studien (darunter auch eine

multizentrische randomisierte kontrollierte Studie) bestätigt [34]. Auch Patienten,

die seit Jahren mit einer Hemiparese lebten, zeigten unter Anwendung von CIMT

eine langanhaltende Funktionsbesserung. Aus diesen Erkenntnissen geht hervor,

dass auch im höheren Alter die Fähigkeit des Gehirns zur plastischen Adaptation

gegeben ist.

Das von Platz (2000) entwickelte Konzept des Schädigungs-orientierten Trai-

nings beinhaltet die beiden Therapieverfahren Arm-Fähigkeits-Training und Arm-

BASIS-Training. Das Prinzip des Arm-Fähigkeits-Trainings ist es, eine reduzierte

E�zienz der Bewegungskontrolle bei leichter Handparese zu verbessern. Das für

Patienten mit schwerer Armparese konzipierte Arm-BASIS-Training soll durch se-

parate Beübung aller Freiheitsgrade des paretischen Arms (im Sinne der selektiven

Innervation) eine Verbesserung der Armbeweglichkeit erzielen. Die Wirksamkeit

dieser Therapieansätze bei Schlaganfallpatienten im subakuten Stadium wurde in

mehreren Studien durch Platz et al. [45, 42, 44] beschrieben.

In den Leitlinien der Deutschen Gesellschaft für Neurorehabilitation (DGNR)

wird aufgrund eines hohen Evidenzgrades sowie einer hohen E�ektqualität einzig

die CIMT mit dem Empfehlungsgrad A eingestuft [43].

1.2.3 Die Spiegeltherapie

Eine neue innovative Therapie der Hemiparese nach einem Schlaganfall ist die

Spiegeltherapie. Sie wurde erstmals 1995 von Ramachandran bei der Behandlung

von Phantomschmerzen benutzt [47]. Das Prozedere ist wie folgt: Der Patient

setzt sich so vor einen Spiegel, dass seine amputierte Hand hinter dem Spiegel ist

und der Patient mit der gesunden Hand im Spiegel den Eindruck gewinnt, die Hand

3

der Amputationsseite würde sich bewegen. Das Gehirn interpretiert diese visuellen

Reize so, als ob sie vom amputierten Körperteil kämen.

Seit diesen Erkenntnissen wurde die Wirksamkeit der Spiegeltherapie bei Phan-

tomschmerzen bei einigen Patienten als Einzelfalldarstellung beschrieben [46]. Bei

der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten wurde die Spiegeltherapie zum ersten

Mal 1999 durch Altschuler angewandt [2]. Es handelte sich um eine Fallserien-

Untersuchung mit neun Schlaganfallpatienten. Bei drei dieser Patienten zeigte sich

eine mäÿige und bei den drei anderen eine milde Verbesserung. Dies war der erste

Schritt zum Einsatz der Spiegeltherapie als eine neue Maÿnahme zur Schlaganfall-

rehabilitation. Weitere Fallstudien von 2000, 2003 und 2004 [49, 57, 56] zeigten

ebenfalls eine positive Wirkung der Spiegeltherapie bei Hemiparese nach einem

Schlaganfall. Zwei randomisierte kontrollierte Studien in 2007 und 2008 konnten

die E�ektivität der Spiegeltherapie bei einer Hemiparese der oberen und unteren

Extremitäten beweisen [58, 64]. In beiden Studien wurden je 40 Patienten in ei-

ne Spiegelgruppe oder eine Kontrollgruppe randomisiert. Alle Probanden führten

ein motorisches Training der gesunden Körperhälfte jeweils mit oder ohne Spiegel

durch. Des Weiteren erhielten alle Patienten konventionelle rehabilitative Therapie.

Patienten der Spiegelgruppe zeigten in beiden Studien statistisch signi�kante Ver-

besserungen im Vergleich zur Kontrollgruppe. Auch in zwei weiteren randomisierten

Studien mit Patienten im subakuten Stadium (im Schnitt 27 Tage post-stroke) er-

wies sich die Spiegeltherapie als besser im Vergleich zur Kontrolltherapie, wenn die

Hand plegisch war [7, 32]. Obwohl aktuell über die Wirksamkeit der Spiegelthera-

pie diskutiert wird, wird zurzeit davon ausgegangen, dass die Spiegeltherapie für

Patienten mit einer schweren Handlähmung e�ektiv ist. Neben der Frage, welche

Patienten tatsächlich von der Spiegeltherapie pro�tieren, bleibt die Wirkweise der

Spiegeltherapie auf das Gehirn noch o�en.

Patienten, die motorische Übungen am Spiegel durchführen, unterliegen der op-

tischen Illusion des Spiegels. Es kommt zu einem Kon�ikt zwischen der visuellen

und der propriozeptiven Wahrnehmung. Während die propriozeptive Information

4

bei der Spiegeltherapie normal bleibt, ist die visuelle Information gespiegelt, d.h.,

dass eine Rechtsbewegung sich visuell als eine Linksbewegung darstellt. Mit ge-

nügend Übung lernen die Patienten diese Nichtübereinstimmung zu überwinden

[26, 17].

In der Übertragung der Spiegeltherapie auf Schlaganfallpatienten geht Rama-

chandran davon aus, dass es nach einem Schlaganfall durch die Läsion zu einem

Ödem und Schwellungen in der Capsula interna kommt. Eine Unterbrechung der

kortikoe�erenten Bahnen führt zur Lähmung. Tage oder Wochen nach dem Rück-

gang des Ödems ist bereits ein erlernter Nicht-Gebrauch der gelähmten Extremität

eingetreten. Mit dem Spiegel wird durch den opto-motorischen Input ein erlernter

Nicht-Gebrauch umgangen.

Ein anderer Ansatz zur Erklärung der Wirksamkeit der Spiegeltherapie bei Schlag-

anfallpatienten ist die Aktivierung der �Spiegelneuronen�. Bei ihrer Entdeckung

bei A�en im Jahr 1995 beobachteten die Forscher eine Aktivierung von Neuro-

nengruppen im ventralen prämotorischen Kortex während der Betrachtung einer

objektbezogenen Greifbewegung durch eine andere Person und auch bei der ei-

genen Durchführung dieser Bewegung [48]. Aufgrund dieser Eigenschaft nannte

man diese Neurone �Spiegelneurone�. Man vermutet, dass sie beim Erlernen durch

Imitiation und bei der Erkennung der emotionalen Gemütslage eines Anderen ei-

ne wichtige Rolle spielen. Erste indirekte Nachweise der Spiegelneuronen beim

Menschen fanden sich durch bildgebende Untersuchungen mit der funktionellen

Magnetresonanztomographie (fMRT). Es konnte beim Menschen gezeigt werden,

dass gerade der ventrale prämotorische Kortex und der Parietallappen aktiv sind,

wenn eine Person eine objektbezogene Greifbewegung ausführt und wenn diese

Person eine solche Bewegung nur beobachtet [18]. Es wurde vermutet, dass diese

Hirnregionen beide Informationen (motorisch und visuell) vereinen, und so wurden

sie als das menschliche Spiegelneuronensystem de�niert. Mukamel et al. konnten

erstmalig einen direkten Nachweis der Spiegelneuronen im Menschen präsentie-

ren. Sie untersuchten die Gehirne von 21 Patienten, die im Ronald Reagan UCLA

5

Medical Center wegen hartnäckiger Epilepsie behandelt wurden. Den Patienten

wurden intrakranielle Elektroden implantiert, um Anfallsherde für eine potenzielle

chirurgische Behandlung zu identi�zieren. Die Platzierung der Elektroden beruhte

ausschlieÿlich auf klinischen Kriterien. Mit der Einwilligung der Patienten verwen-

deten Mukamel et al. die gleichen Elektroden in ihrer Forschung. Das Experiment

umfasste drei Teile: Mimik, Greifen und ein Kontrollexperiment. Die Aktivität von

insgesamt 1177 Neuronen der 21 Patienten wurden, während die Patienten Greif-

und Mimikaktionen beobachteten bzw. auch selbst durchführten, aufgenommen.

In der Aktivitätsphase wurden die Probanden gebeten, eine Aktion auf ein visu-

ell präsentiertes Kommandowort durchzuführen. In der Kontrollgruppe wurden die

gleichen Wörter präsentiert und die Patienten wurden angewiesen, die Aktion nicht

auszuführen. Die Forscher fanden eine kleine Anzahl von Neuronen, die ihre gröÿte

Aktivität sowohl bei der Betrachtung als auch bei der Durchführung der Aufgabe

zeigten. Andere Neuronen hatten Anti-Spiegel-Eigenschaften. Das heiÿt sie rea-

gierten, wenn die Teilnehmer eine Aktion sahen, waren aber gehemmt, wenn der

Teilnehmer die Aktion selbst ausführte. Diese Spiegelneuronen befanden sich in

supplementär-motorischen Arealen und im medialen temporalen Kortex (andere

Hirnregionen wurden nicht untersucht). Zwar fehlt nach wie vor der direkte Nach-

weis von Spiegelneuronen im ventralen prämotorischen Kortex des Menschen, aber

die oben beschriebene Studie legt die Vermutung nahe, dass es Gruppen von Neu-

ronen in einem Netzwerk gibt, die sowohl beim Beobachten als auch beim Durch-

führen einer objektbezogenen Greifbewegung aktiviert sind. Dies würde bedeuten,

dass im Rahmen der Spiegeltherapie gerade diese Netzwerke sich einer Reorganisa-

tion durch das Training unterziehen würden und somit eine Funktionsverbesserung

eintreten müsste.

6

1.3 Veränderungen der grauen und weiÿen

Substanz durch Training

Dass das Training und Erlernen zu funktionellen Veränderungen innerhalb eines

neuronalen Netzwerkes führen können, ist seit langem bekannt. Mithilfe der fMRT

kann man eine solche Adaptation, auch Plastizität genannt, sichtbar machen. Bei-

spielsweise wurden in einer Vorläuferstudie zu der aktuellen Studie mittels fMRT

die funktionellen Veränderungen im Gehirn nach dem Spiegeltraining bei gesun-

den Probanden untersucht. Alle Probanden durchliefen dasselbe Training, jedoch

wurde in einer Gruppe das Training über einen Spiegel absolviert, während in einer

anderen Gruppe das Training ohne Spiegel durchgeführt wurde. Eine plastische

Veränderung konnte im SMAlinks und SMClinks sowie im prämotorischen Kortex

(vPMClinks und dPMCrechts) beobachtet werden [15].

Bislang fokussierte sich die plastische Veränderung auf die durch die fMRT nach-

weisbare funktionelle Interaktion zwischen kortikalen Arealen. Dass aber neben der

funktionellen Plastizität auch eine Plastizität auf struktureller Basis nachweisbar

ist, zeigten Maguire et al. Mittels T1-gewichteter MRT erfassten sie die Gehirne

von Taxifahrern in London und zeigten, dass der hintere Teil des Hippocampus die-

ser Taxifahrer gröÿer war im Vergleich zu anderen Menschen [30]. Um in London

eine Lizenz als Taxifahrer zu erwerben, müssen die Bewerber nachweisen, dass sie

25.000 Straÿennamen und 20.000 Adressen in einem Umkreis von 6 Meilen kennen.

Dazu müssen sie 320 Routen im Detail innerhalb von 3 bis 4 Jahren auswendig

lernen. Die Vergröÿerung des posterioren Hippocampus bei diesen Probanden kor-

relierte mit der Anzahl der Erfahrungsjahre als Taxifahrer.

Weitere Studien konnten tatsächlich beweisen, dass gezieltes Training zur Plas-

tizität der grauen Substanz führt. So wurden bei gesunden Probanden in diversen

Studien MRT-Aufnahmen des Gehirns vor und nach einem Training aufgenommen.

Zum Beispiel führten das Jonglier-Training [8] und das Lese-Training in einem Spie-

gel [19] zu Veränderungen der grauen Substanz in spezi�schen Gehirnarealen. In

7

weiteren Studien wurde unter anderem untersucht, wie rasch Veränderungen in der

grauen Substanz auftreten können. So konnten nach repetitiver transkranieller Ma-

gnetstimulation über 5 Tage Veränderungen in der grauen Substanz (Thalamus)

beobachtet werden [33]. In einer weiteren Studie trainierten rechtshändige Proban-

den, ihre Unterschrift mit der linken Hand zu schreiben [14]. Bei täglich durchge-

führten MRT-Aufnahmen konnte man hier schon nach 3 Tagen Veränderungen in

der grauen Substanz beobachten. Möglicherweise muss man zwischen kurz- (weni-

ge Tage) und langfristigen (Monate) Veränderungen unterscheiden, denn die den

Veränderungen zugrunde liegenden Hintergründe könnten unterschiedliche mor-

phologische Korrelate beinhalten.

Weiterhin kann das Training auch zu Veränderungen in der weiÿen Substanz füh-

ren. Mithilfe des Di�usion-Tensor-Imaging (DTI) kann die Richtungsabhängigkeit

der Di�usion in der weiÿen Substanz mit der Berechnung der fraktionellen Aniso-

tropie (FA) gemessen werden. Eine Zunahme der FA in spezi�schen Hirnregionen

konnte bei Probanden zum Beispiel nach einem Jonglier-Training [51] oder dem

Erlernen einer für sie neuen Fremdsprache [50] nachgewiesen werden. Das spricht

auch dafür, dass sowohl die Struktur als auch die Funktion einer dynamischen

Anpassung der Anforderung unterliegen.

Jedoch wurde in keiner der bislang durchgeführten Studien die Beziehung zwi-

schen der funktionellen Plastizität auf der einen Seite und der strukturellen Plas-

tizität auf der anderen Seite direkt miteinander untersucht. Zwar konnte gezeigt

werden, dass in Arealen mit funktioneller Veränderung sich auch strukturelle Plas-

tizität nach Spiegel-Lesen einstellen kann [19], jedoch waren keine direkten Bezie-

hungen zwischen den strukturellen Veränderungen und der gestellten Anforderung

erstellt worden.

Mithilfe der funktionellen MRT konnten in einer Vorläuferstudie die funktionellen

Veränderungen im Gehirn nach einem standardisierten motorischen Spiegeltraining

bei gesunden Probanden erfasst werden. Welche plastischen Veränderungen in der

grauen und weiÿen Substanz nach einem solchen Spiegeltraining auftreten, ist je-

8

doch noch unbekannt.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der plastischen Veränderungen auf

struktureller Ebene (weiÿe und graue Substanz) nach dem Spiegeltraining bei ge-

sunden Probanden mittels Voxel-basierter Morphometrie der T1-gewichteten MRT.

9

2 Grundlagen und Methodik

2.1 Probanden

Im Rahmen der Studie wurden insgesamt 45 gesunde, männliche und weibliche

Rechtshänder/innen untersucht. Die Auswahl der Probanden erfolgte gemäÿ den

folgenden Ein- und Ausschlusskriterien:

Einschlusskriterien:

• Alter zwischen 18 und 35 Jahren

• Rechtshänder/in nach Edinburgh Handedness Inventory (Old�eld 1971)

Ausschlusskriterien:

• Einnahme psychoaktiver Substanzen (z.B. Psychopharmaka, Drogen)

• Zerebrale Läsion jeglicher Art in der Vorgeschichte (z.B. Schädelhirntrauma)

• Unkorrigierte Beeinträchtigung der Sehkraft

• Schwangerschaft

• Kontraindikationen für eine MRT-Untersuchung (z.B. Herzschrittmacher,

Tattoos im Gesicht oder Halsbereich, Metallgegenstände im Körper, Platz-

angst)

10

Vor Beginn der Untersuchungen wurden alle Probanden über das Versuchspro-

tokoll und über die Untersuchung mittels der MRT aufgeklärt. Jeder Proband gab

hierzu jeweils sein schriftliches Einverständnis. Die Studie wurde von der Ethik-

kommission der Universität Freiburg genehmigt.

11

2.2 Studiendesign

Die Probanden wurden in eine der beiden Versuchsgruppen, �Spiegelgruppe� (n=25,

12 weiblich) oder �Kontrollgruppe� (n=20, 10 weiblich), randomisiert. Insgesamt

mussten zwei Probanden aufgrund von Bewegungsartefakten während der MRT-

Aufnahmen ausgeschlossen werden. In der endgültigen Analyse wurden in die Spie-

gelgruppe 24 Probanden (12 weiblich) und in die Kontrollgruppe 19 Probanden

(10 weiblich) eingeschlossen. Mit Ausnahme der Bedingung des Trainings (mit

oder ohne Spiegel) durchliefen alle Probanden das gleiche Studienprotokoll:

Ablauf Tag 1:

1. Baseline-MRT (T1-gewichtetes MRT)

2. Baseline-Test der motorischen Fertigkeiten der linken und rechten Hand

3. Erste Trainingseinheit

4. Test der motorischen Fertigkeiten der linken und rechten Hand

Ablauf Tag 2-4:

1. Trainingseinheiten

2. Test der motorischen Fertigkeiten der linken und rechten Hand

Ablauf Tag 5:

1. Test der motorischen Fertigkeiten der linken und rechten Hand

2. MRT

12

2.3 Ablauf der Test- und Trainingseinheiten

Trainingseinheiten

Alle Probanden der Spiegel- und Kontrollgruppe absolvierten während der Test- und

Trainingseinheiten die gleichen motorischen Aufgaben. Sie unterschieden sich ledig-

lich in der Art des visuellen Feedbacks während des Trainings. Bei der Durchführung

wurde darauf geachtet, dass die Trainings- und Testeinheiten jeweils in etwa zur

selben Tageszeit stattfanden. Die Spiegelgruppe trainierte mit einem Spiegel. Die

Probanden wurden angewiesen, während der gesamten Trainingseinheit das Spie-

gelbild ihres dominanten rechten Armes zu beobachten. Für sie entstand so der

Eindruck, als würde sich ihr linker Arm bewegen. Während der Trainingseinheiten

der Kontrollgruppe wurde anstelle des Spiegels ein Brett positioniert, so dass die

Probanden ihre linke Hand während des Trainings nicht sahen. Die Probanden der

Kontrollgruppe wurden angewiesen, ihren Blick während der Trainingseinheit auf

ihren dominanten rechten Arm zu richten. Der linke Arm der Probanden wurde

jeweils hinter dem Spiegel immobilisiert. Beide Gruppen absolvierten, gemäÿ dem

Studienprotokoll, insgesamt fünf Trainingseinheiten. Jede Trainingseinheit beinhal-

tete zwei Durchläufe mit je fünf motorischen Übungen. Jeder Durchlauf dauerte

zirka zehn Minuten bei fünf Übungen à zwei Minuten. Nach dem ersten Durchlauf

wurde eine dreiminütige Pause eingelegt. Um eine standardisierte Anordnung der

Versuchsutensilien zu gewährleisten, wurden spezielle Folien als Tischunterlagen

angefertigt. Die Probanden wurden dazu angehalten, die Übungen immer mit der

maximal möglichen Geschwindigkeit korrekt durchzuführen. Vom Versuchsleiter

wurden die jeweiligen Wiederholungen gezählt und in den Test- und Trainingsbö-

gen dokumentiert. Die einzelnen Übungen werden im Folgenden erläutert:

13

Testeinheiten

Für die Testeinheiten wurde der Spiegel von der Arbeits�äche entfernt. Die Pro-

banden absolvierten jeweils zuerst mit der rechten und im Anschluss daran mit der

linken Hand einen Durchlauf aller fünf Übungen (fünf Übungen à zwei Minuten).

Abbildung 2.1: Spiegelgruppe Abbildung 2.2: Kontrollgruppe

14

Übung 1: Mit einem Teelö�el sollen in-nerhalb von zwei Minuten so viele Mur-meln wie möglich von einer Schüssel ineine andere gelö�elt werden. Der Lö�eldurfte erst nach dem Startzeichen desVersuchsleiters ergri�en werden.

Abbildung 2.3:Übung 1: Murmeln

Übung 2: Einer der neun Zylinder ei-nes �Nine Hole Peg-Tests� (NHPT) soll inzwei Minuten so oft wie möglich aus derVertiefung heraus in einen vorgegebenenKreis auf der Arbeitsunter�äche gestelltund wieder in die Ausgangsposition zu-rückgebracht werden. Der Zylinder durfteerst nach Startzeichen des Versuchsleitersergri�en werden.

Abbildung 2.4:Übung 2: NHPT

15

Übung 3: Von einem Stapel Memory-Karten sollen die Probanden die Karteneinzeln abheben und innerhalb von zweiMinuten so viele Karten wie möglich ineinem vorgegebenen Kreis der Arbeits�ä-che neu stapeln.

Abbildung 2.5:Übung 3: Memory

Übung 4: Mikado-Stäbe werden in ei-nem vorgegebenen Bereich der Arbeits�ä-che parallel zur Tischkante, die dem Pro-banden zugewandt ist, angeordnet. EinMikado-Stab wird orthogonal zur Tisch-kante neben der Hand des Probanden be-reitgelegt. Die Übung besteht darin, dieanderen Mikado-Stäbe zunächst einzelnzu berühren, um sie von den anderen zuentfernen. Danach soll der Proband denberührten Mikado-Stab mit der Hand, inder er den Hilfs-Mikado-Stab hält, greifenund in ein Trinkglas stellen.

Abbildung 2.6:Übung 4: Mikado

16

Übung 5: Innerhalb von zwei Minutensollen so viele Gummibänder wie möglichüber ein Trinkglas gestülpt werden.

Abbildung 2.7:Übung 5: Gummibänder

17

2.4 Grundlagen der

Magnetresonanztomographie

Der menschliche Körper besteht weitgehend aus Wassermolekülen und jedes dieser

besteht aus zwei Wassersto�-Atomkernen oder Protonen. Wenn eine Person sich

innerhalb des Magnetfeldes des Scanners be�ndet, werden die magnetischen Mo-

mente von einigen dieser Protonen geändert und richten sich in die Richtung des

Feldes. In einem MRT-Gerät wird ein Hochfrequenz-Sender kurz eingeschaltet, wo-

durch ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Die Protonen werden dabei durch

die Resonanzfrequenz bis zu 90 Grad zum angelegten Feld gekippt. Die Intensität

und Dauer der Anwendung des Feldes bestimmen die Ausrichtung des Auslenkungs-

winkels. Wird das Feld deaktiviert, fallen die Protonen in ihre ursprüngliche Position

zurück. Die Energie dieser Relaxation wird als Photon freigesetzt, welches ein elek-

tromagnetisches Signal produziert, das vom Scanner detektiert wird. Die Stärke des

Magnetfeldes bestimmt die Resonanzfrequenz der Protonen und als Folge auch die

Häu�gkeit der freigesetzten Photonen. Der Standpunkt des sich ergebenden elek-

tromagnetischen Signals kann durch die Verwendung einer Fourier-Transformation

gewonnen und in einen kontrastierenden Punkt umgewandelt werden. Ein Bild

kann erstellt werden, da die Protonen in verschiedenen Geweben Gleichgewichts-

zustände mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten haben. Die Relaxation der Pro-

tonen in longitudinaler bzw. z-Richtung wird als �T1-Relaxation� bezeichnet. Die

Rückkehrgeschwindigkeit ist im Wesentlichen abhängig von der Schnelligkeit der

Energieübertragung auf angeregte Molekülgitter, wie z.B. Protein- oder Lipidver-

bände im Gewebe. Die Relaxation in transversaler bzw. xy-Richtung nennt sich

�T2-Relaxation�. Die T2-Relaxation wird durch die Protonendichte des Gewebes

und die auÿen angelegte Stärke des Magnetfeldes beein�usst.

18

2.5 Grundlagen der Voxel-basierten

Morphometrie

Die Voxel-basierte Morphometrie ist eine Analysemethode, die es anhand tomogra-

phischer Bildgebung erlaubt, fokale Unterschiede in der weiÿen und grauen Sub-

stanz zu analysieren [3]. Der Begri� Voxel setzt sich aus den Wörtern �volumetric�

und �pixel� (Bildpunkt) zusammen. Ein Voxel ist das dreidimensionale Äquiva-

lent eines Pixels. Die Morphometrie ist die Charakterisierung der Form von Ob-

jekten durch quanti�zierbare Gröÿen. Die Voxel-basierte Morphometrie beinhaltet

die räumliche Normalisierung der MRT-Bilder, die Segmentierung der weiÿen und

grauen Substanz, das Glätten (�smoothing�) und letztlich die statistische Analyse.

Das Ergebnis dieser Technik ist eine statistische, parametrische Karte (�statistical

paramteric map SPM�). Weisen zwei Gruppen in derselben Region zwei unter-

schiedliche Gewebekonzentrationen auf, ist dieser Unterschied in der statistischen

parametrischen Karte zu erkennen.

2.5.1 Normalisierung

Um verschiedene Gehirne vergleichen zu können, müssen die individuellen anato-

mischen Unterschiede korrigiert werden. Dies wird durch die Anpassung der 3-D-

Bilder aller Probanden auf das gleiche Template-Bild, in diesem Fall das "Montreal

Neurological Institute (MNI) template�, erreicht. Das verwendete Template-Bild ist

selbst ein Durchschnittsbild einer groÿen Zahl MRT-Bildern, die mit dieser Technik

der räumlichen Normalisierung registriert wurden. Der erste Schritt beinhaltet die

a�ne Transformation von 12 Parametern der MRT-Bilder zum �Template�. Zum

Erreichen einer optimalen Transformation wird ein Bayesianischer Ansatz verwen-

det, in dem vorherige Kenntnisse der Variabilität des Gehirns berücksichtigt wer-

den. Im zweiten Schritt werden die globalen nicht linearen Unterschiede durch eine

Kombination von räumlichen Basisfunktionen modelliert. Die nicht lineare Regis-

trierung beinhaltet die Schätzung der Koe�zienten der Basisfunktionen und die

19

Minimierung der verbleibenden Di�erenz zwischen dem Bild und dem �Template�.

Durch die Normalisierung wird lediglich die globale Gehirnform an das Template-

Bild angepasst, es wird keine detaillierte �Voxel zu Voxel-Anpassung� durchgeführt.

2.5.2 Segmentierung

Als nächstes werden die Bilder in graue Substanz, weiÿe Substanz, Liquor und drei

weitere Klassen (Knochen, Blutgefäÿe und Sinus) eingeteilt. Dies ist durch eine

Kombination aus a priori-Wahrscheinlichkeit-Karten erreicht, die die Kenntnis der

räumlichen Verteilung der verschiedenen Gewebe bei gesunden Probanden kodie-

ren. Nebenbei wird eine Clusteranalyse der Voxel durchgeführt, indem die Inten-

sitätsunterschiede der verschiedenen Gewebetypen identi�ziert werden. Der Seg-

mentierungsschritt beinhaltet auch eine Bildintensitätsuneinheitlichkeitskorrektur

zur Berücksichtigung von Intensitätsschwankungen, welche durch die unterschied-

lichen Positionen der kranialen Strukturen innerhalb der MRT-Spule verursacht

werden.

2.5.3 Smoothing

Die räumliche Glättung, das �smoothing�, scha�t ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.

Somit erhält man eine trennschärfere Abgrenzung echter experimentell induzier-

ter Veränderungen von Störsignalen. Der Bildgrauwert jedes einzelnen Voxels wird

hierfür mit den umgebenden Voxeln verrechnet. Durch Anwendung einer dreidi-

mensionalen Gauÿ-Verteilung (Kernel-Filtermaske) wird gewährleistet, dass jedes

Voxel die durchschnittliche Höhe an grauer oder weiÿer Substanz enthält wie ih-

re umgebenden Voxel, wobei das zentrale Voxel den gröÿten Beitrag liefert. Die

Mittelung der Voxel führt zu einer Erhöhung der räumlichen Korrelation. Zufällige

E�ekte (falsch positive Ergebnisse) können auf diese Weise ermittelt werden, was

sich zum einen positiv auf die Spezi�tät der anschlieÿenden statistischen Analyse

auswirkt und zum anderen die Vergleichbarkeit der Bilder zwischen den Probanden

20

verbessert.

2.5.4 Statistische Analyse

Nach der Vorbearbeitung der Bilder kommt der letzte Schritt, nämlich die statisti-

sche Analyse. Ziel dieser ist es zu prüfen, ob es zwischen den Studienzeitpunkten

�Baseline� und �post� einen Unterschied gibt. Zur voxelweisen statistischen Analy-

se wird das lineare Modell benutzt. Dieses Verfahren ermöglicht die Durchführung

von Standardprozeduren wie t-Tests und F-Tests, vorausgesetzt, die Residuen sind

normalverteilt. Die Durchführung vieler solcher Tests ergibt dann eine statistische

parametrische Karte (SPM). Da diese die Ergebnisse sehr vieler voxelweisen sta-

tistischen Tests umfasst, ist eine Korrektur notwendig, um statistische Fehler zu

minimieren [4]. Die �Random Field Theory� (RFT) ist ein Verfahren, um das Pro-

blem der Feststellung der Schwellenhöhe bei geglätteten statistischen Karten zu

lösen. Die Anwendung verläuft in Stadien. Zunächst schätzt man die Glätte (Räum-

liche Korrelation) der statistischen Karte, dann werden die Glätte-Werte in der

entsprechenden RFT-Gleichung verwendet, um die erwartete Euler-Charakteristik

(Anzahl der Cluster über der Schwelle) bei unterschiedlichen Schwellenwerten zu

bekommen. Dies erlaubt es z.B., jene Schwelle zu berechnen, bei der 5% der ent-

sprechenden statistischen Karten unter der Nullhypothese mindestens eine Fläche

oberhalb der Schwelle enthalten. Als Endergebnis können die gefundenen signi-

�kanten Unterschiede auf den SPM am einfachsten als Tabelle mit Koordinaten

dargestellt werden. Oftmals werden die Ergebnisse auch als farbige Flecken auf

einem MRT-Schnittbild oder einem 3-D-Hirnmodell dargestellt.

21

Abbildung 2.8: Darstellung der einzelnen Schritte der Voxel-basierten

Morphometrie

22

2.6 Grundlagen der

Di�usion-Tensor-Bildgebung

Die Di�usion-Tensor-Bildgebung (abgekürzt DTI vom englischen Begri� �di�usion

tensor imaging�) ist ein bildgebendes Verfahren, welches auf der Magnetresonanz-

tomographie basiert. Mit ihr ist es möglich, die Di�usionbewegung von Wassermo-

lekülen im Körpergewebe zu messen und räumlich darzustellen. Sie ist äuÿerst für

die Untersuchung des Gehirns geeignet, da sich das Di�usionverhalten im Gewebe

bei einigen neurologischen Erkrankungen spezi�sch verändert und die Richtungs-

abhängigkeit der Di�usion Rückschlüsse auf den Verlauf der groÿen Nervenfaser-

bündel erlaubt. Die Beweglichkeit der Wassermoleküle ist im Hirngewebe durch

Hindernisse, wie zum Beispiel Zellmembranen, eingeschränkt. Es ist anzunehmen,

dass die Bewegung der Moleküle entlang der Nervenfasern in Richtung der zusam-

mengepackten Axone ungehinderter verläuft als quer zu ihnen. Die grundlegende

Annahme bei der Interpretation von Di�usion-Tensor-Daten ist daher, dass die

Richtung des gröÿten Di�usionkoe�zienten den Verlauf der Nervenfasern wider-

gibt. Bei diesem Verfahren liegt die Au�ösung im Millimeterbereich und muss bei

der Interpretation der Daten berücksichtigt werden. Die Axone haben einen Durch-

messer von wenigen Mikrometern und liegen deutlich unter der Au�ösungsgrenze

des DTI. Das berechnete Signal widergibt also den Durchschnitt über ein bestimm-

tes Volumen, der nur dann aussagekräftig ist, wenn das Gewebe innerhalb dieses

Gebietes homogen ist. Aus diesem Grunde können nur gröÿere Nervenfaserbündel

dargestellt werden. Welche genaue Mechanismen dem beobachteten Di�usionsver-

halten zugrunde liegen, ist noch nicht endgültig geklärt. Die bisherige Untersu-

chungsergebnisse weisen darauf hin, dass die Richtungsabhängigkeit die Molekülen

innerhalb und auch auÿerhalb der Zellen betri�t. Die Richtungsabhängigkeit ist

zum Beispiel von der Stärke der Myelinisierung der Nervenfasern abhängig, wird

aber nicht allein durch diese verursacht [27].

Im DTI wird pro Volumenelement (Voxel) anstatt eines Di�usionskoe�zienten

23

der Di�usionstensor berechnet (eine symmetrische 3x3-Matrix mit reellen nicht

negativen Eigenwerten), der Di�usionsverhalten in den drei Richtungsachsen dar-

stellt. Die Richtungsabhängigkeit in einem bestimmtem Vorgang wird �Anisotropie�

genannt. Die Ausbreitung der Moleküle im Gewebe ist nicht frei, sondern bevor-

zugt bestimmte Richtungen und wird auch als scheinbare Di�usion bezeichnet,

die Hauptdiagonalelemente des Di�usionstensors als scheinbare Di�usionskoe�zi-

enten. Zur quantitativen Beschreibung der scheinbaren Di�usion und der damit

verbundenen Anisotropie werden verschiedene Maÿzahlen verwendet, die unter an-

derem aus den Eigenwerten des Di�usionstensors gebildet werden. Bei der fraktio-

nalen Anisotropie (FA) wird gemessen, wie stark sich die Eigenwerte voneinander

unterscheiden, d. h. wie stark sich die Di�usivität in verschiedenen Richtungen

unterscheidet. Im Falle vollständiger Isotropie ist die FA = 0. Bei maximaler Ani-

sotropie ist die Di�usion vollständig in eine Richtung gerichtet. Die FA ist zum

Beispiel ein Marker für die anatomische Bescha�enheit der weiÿen Substanz des

Gehirns: Je gröÿer die FA, desto unversehrter die weiÿe Substanz. Bei der Darstel-

lung des DTI in Schnittbildern werden die Di�usionstensoren auf Grau- oder Farb-

werte repräsentiert. Solche Bilder werden in der Diagnostik oft visuell ausgewertet

und zum Beispiel für die Diagnose von Schlaganfällen angewendet. Studienergeb-

nisse konnten weiterhin statistische Unterschiede der Anisotropie bei vorliegen von

bestimmten neurologischen Erkrankungen zeigen. Weiterhin wird die Richtung des

gröÿten Di�usionkoe�zienten häu�g als Farbwert kodiert. Hierbei wird jeder der

drei Richtungsachsen einer Farbe (Rot, Grün und Blau) zugeordnet [39].

24

2.7 Ablauf der MRT-Messungen

Die MRT-Messungen wurden zu den Zeitpunkten Baseline und post (Tag 1 und

Tag 5) durchgeführt. Die Probanden wurden mit den Räumlichkeiten, dem Perso-

nal und den Sicherheitsvorkehrungen der Neuroradiologischen Abteilung des Neu-

rozentrums der Universität Freiburg vertraut gemacht. Die Einverständniserklä-

rung bezüglich der MRT-Untersuchung wurde überprüft. Die Messung wurde am

MAGNETOM Tim Trio (3T) MRT der Firma Siemens AG (München, Germany)

durchgeführt. Die Probanden wurden in Rückenlage auf der Liege des MRT ge-

lagert. Für den Lärmschutz setzten die Probanden Kopfhörer auf. Die Kopfspule

wurde angelegt und der Kopf in einer für den Probanden angenehmen Position

bestmöglich �xiert.

Für die VBM wurde eine halbstündige T1-gewichtete Sequenz aufgenommen

(Sagittalebene; Anzahl der Schichten: 160; Schichtdicke: 1 mm; Voxelgröÿe: 1x1x1

mm3; Flip-Winkel: 15o; Field of view: 256x256 mm; TR: 8,9 ms, TE: 3,93 ms;

Inversion time: 800 ms). Die Probanden sollten dabei mit geschlossenen Augen

ruhig liegen und Bewegungen vermeiden.

2.8 Auswertung der behavioristischen Daten

2.8.1 Übungen-Einzelanalyse

Aus den Ergebnissen der einzelnen Übungen aller Testeinheiten der rechten und

der linken Hand von Tag 1 (Baseline) bis Tag 5 (post) wurde für jeden Probanden

ein Mittelwert berechnet. Für eine bessere Vergleichbarkeit der motorischen Ver-

besserung innerhalb des Probandenkollektivs wurden diese absoluten Mittelwerte

bezogen auf den Baseline-Wert in prozentuale Werte überführt. Hierbei wurde der

Mittelwert der Testergebnisse zum Zeitpunkt �Baseline� mit 100% gleichgesetzt

und die restlichen absoluten Mittelwerte wurden in prozentualem Bezug zu diesem

berechnet. Die durchschnittliche prozentuale motorische Verbesserung der rechten

25

und der linken Hand jedes einzelnen Probanden wurde auf diese Weise ermittelt.

2.8.2 Statistik

Aus den Mittelwerten der einzelnen Probanden wurde ein Mittelwert jeweils für

die Spiegel- und die Kontrollgruppe für jeden Untersuchungszeitpunkt gebildet.

Zu den normalverteilten prozentualen Mittelwerten der einzelnen Testergebnisse

wurde jeweils die zugehörige Standardabweichung (SD) berechnet. Zur Prüfung,

ob eine signi�kante Di�erenz bezüglich der motorischen Fähigkeiten beider Hände

zwischen beiden Gruppen zum Zeitpunkt Baseline besteht, wurde ein ungepaarter

t-Test durchgeführt. Dies bildete die Grundvoraussetzung, um im Laufe der Unter-

suchungszeitreihe eine unterschiedliche Entwicklung der motorischen Fähigkeiten

beider Versuchsgruppen zu objektivieren und zu quanti�zieren. Die Überprüfung

der Signi�kanz der Ergebnisse, im Sinne einer motorischen Verbesserung, erfolgte

über einen gepaarten t-Test für verbundene Stichproben, insbesondere für die Er-

gebnisse der linken Hand. Die in den Test ein�ieÿenden Werte bildeten jeweils die

Mittelwerte der prozentualen Verbesserung der linken Hand beider Versuchsgrup-

pen zu den Zeitpunkten Tag 1, Tag 2, Tag 3, Tag 4 und Tag 5 (post). Zu jedem

Zeitpunkt wurde ein Vergleich zwischen beiden Gruppen mittels eines ungepaarten

t-Tests durchgeführt. Für die Gruppenvergleiche wurde der p < 0.05, Bonferroni

korrigiert für multiple Vergleiche durchgeführt.

Die Auswertung der behavioristischen Daten erfolgte mithilfe der SPSS 13.0 -

Software (SPSS Inc., USA).

2.9 MRT-Daten-Auswertung

Zur Auswertung der MRT-Daten wurde die Applikation �Statistical parametric

mapping� (SPM8; The Wellcome Trust Centre for Neuroimaging, University Colle-

ge of London) benutzt, welche auf dem Programm MATLAB der Firma Mathworks

Inc. beruht.

26

2.9.1 VBM-Daten

Die Bewegungen der Versuchspersonen, die während der MRT-Messungen entste-

hen, können durch eine �rigid-body�-Transformation korrigiert werden. So werden

Rotations- und Translationsabweichungen von jedem Sequenzbild auf das erste

Bild der Serie reorientiert. Bewegungen bis zu 2 mm in Translationsrichtung und

0,5◦ Rotation können korrigiert werden. Jeweils ein Proband von Spiegel- und Kon-

trollgruppe überschritt diese Werte und musste von der weiteren Analyse ausge-

schlossen werden. Anschlieÿend wurden Bilder auf das MNI-Template normalisiert

und darau�olgend in weiÿe und graue Substanz segmentiert. Für das �Glätten�

wurde ein Gauÿ-Kern von 10 mm benutzt. Für die statistische Analyse wurden

Voxel-by-Voxel-t-Tests mit dem allgemeinen linearen Modell verwendet, um die

regional spezi�schen Unterschiede in der grauen Substanz zu testen. Um zeitli-

che Veränderungen in der grauen Substanz zu erkennen, wurden die Bilder von

Tag 5 (post) mit den Baseline-Bildern verglichen. Ein Schwellenwert (korrigiert für

multiple Vergleiche auf das gesamte Gehirn) wurde auf einen p-Wert von < 0,05

eingestellt.

2.9.2 DTI-Daten

Zur Untersuchung möglicher Veränderungen im Di�usionverhalten entlang der Fa-

sern in der weiÿen Substanz durchliefen alle Probanden am ersten und letzten

Studientag eine DTI-Messung. Anschlieÿend wurde eine �nachher versus vorher�-

Analyse durchgeführt.

2.9.3 Korrelationsanalyse

Des Weiteren erfolgte eine Evaluation der Zusammenhänge zwischen den Verän-

derungen der grauen und weiÿen Substanz und FA und den Testergebnissen der

linken Hand. Hierfür wurde eine Korrelationsanalyse nach Bravais-Pearson zwi-

schen einerseits den Ergebnissen der VBM- und DTI-Daten und andererseits den

27

Testergebnissen der linken Hand der Spiegelgruppe zum Zeitpunkt Tag 5 (post)

durchgeführt. Als Maÿ für die Stärke des linearen Zusammenhangs wurde der Kor-

relationskoe�zient nach Pearson �r� bestimmt.

28

3 Ergebnisse

3.1 Behavioristische Daten

Zum Baseline-Zeitpunkt ist zwischen Spiegel- und Kontrollgruppe kein signi�kanter

Unterschied bezüglich der Testergebnisse der linken und rechten Hand zu erkennen.

Für die rechte Hand ist bei Spiegel- und Kontrollgruppe eine Verbesserung der

Testergebnissen im Trainingsverlauf zu beobachten. Es ist jedoch kein signi�kanter

Unterschied zwischen beiden Gruppen im Verlauf zu erkennen. Für die linke Hand

zeigen sich jedoch bessere Testergebnisse in der Spiegelgruppe im Vergleich zur

Kontrollgruppe. Aus dem Verlauf geht hervor, dass dieser beobachtete Unterschied

umso gröÿer wird, je länger das Spiegeltraining durchgeführt wird. Die Überprüfung

der Signi�kanz mithilfe des ungepaarten, zweiseitigen Student-t-Tests zwischen

Spiegel- und Kontrollgruppe ergab folgende Werte:

p =Tag 1 vs. Baseline 0,049Tag 2 vs. Tag 1 0,107Tag 3 vs. Tag 2 0,008Tag 4 vs. Tag 3 0,014Tag 5 vs. Tag 4 0,0004

Tabelle 3.1: Signi�kanz der Unterschiede in den Testergebnissen der linken Handzwischen Spiegel- und Kontrollgruppe im Verlauf

29

3.1.1 Trainierte rechte Hand

Spiegelgruppe Baseline Tag 1 Tag 2 Tag 3 Tag 4 Tag 5Mean 65,72 77,10 84,28 89,05 93,13 93,34% 100,00 119,28 129,87 136,67 143,20 143,57SD 0,00 8,12 11,61 10,36 13,12 12,25

Tabelle 3.2: Absolute und prozentuale Mittelwerte der Testeinheiten der rechtenHand der Spiegelgruppe

Kontrollgruppe Baseline Tag 1 Tag 2 Tag 3 Tag 4 Tag 5Mean 66,76 80,47 86,96 91,55 96,21 97,43% 100,00 120,80 129,74 137,17 143,79 146,43SD 0,00 5,79 9,25 7,48 9,70 9,10

Tabelle 3.3: Absolute und prozentuale Mittelwerte der Testeinheiten der rechtenHand der Kontrollgruppe

30

Abbildung 3.1: Prozentuale Verbesserung der rechten Hand von Baseline bis Tag

5 (post)

3.1.2 Nicht trainierte linke Hand

Spiegelgruppe Baseline Tag 1 Tag 2 Tag 3 Tag 4 Tag 5Mean 63,64 71,52 76,49 81,3 84,88 87,52% 100,00 112,94 120,90 128,95 134,12 138,37SD 0,00 6,11 8,61 8,86 9,07 8,37

Tabelle 3.4: Absolute und prozentuale Mittelwerte der Testeinheiten der linkenHand der Spiegelgruppe

31

Kontrollgruppe Baseline Tag 1 Tag 2 Tag 3 Tag 4 Tag 5Mean 64,91 69,89 75,68 78,77 82,75 83,95% 100,00 108,83 116,69 121,26 126,79 128,73SD 0,00 5,59 5,50 6,51 6,94 5,31

Tabelle 3.5: Absolute und prozentuale Mittelwerte der Testeinheiten der linkenHand der Kontrollgruppe

Abbildung 3.2: Prozentuale Verbesserung der linken Hand von Baseline bis Tag 5

(post)

32

3.2 MRT-Daten

3.2.1 VBM-Änderungen in der grauen Substanz

In der VBM-Analyse der Spiegelgruppe (nachher versus vorher) zeigten sich Ver-

änderungen in der SMArechts, im ventralen Anteil des primär motorischen Kortex

(M1) links, im Gyrus fusiformis rechts und im Lobus anterior des Cerebellums

rechts. Diese Veränderungen haben eine positive Korrelation mit den behavioris-

tischen Ergebnissen der linken Hand, d. h. je gröÿer die Verbesserung der linken

Hand in den Testergebnissen ist, desto stärker sind die Veränderungen in der grau-

en Substanz in den o.g. Arealen, für SMA: r = 0,4 und p = 0,007; für M1: r =

0,33 und p = 0,002.

33

Abbildung 3.3: Veränderungen in der grauen Substanz der SMA korrelieren mit

prozentualer Verbesserung der linken Hand zum Zeitpunkt Tag 5

Abbildung 3.4: Korrelationsdiagramm der Veränderungen der grauen Substanz in

der SMA und der Verbesserung der Testergebnisse der linken Hand

der Spiegelgruppe (post vs. Baseline)

34

Abbildung 3.5: Veränderungen in der grauen Substanz des M1 korrelieren mit pro-

zentualer Verbesserung der linken Hand zum Zeitpunkt Tag 5

Abbildung 3.6: Korrelationsdiagramm der Veränderungen der grauen Substanz im

M1 und der Verbesserung der Testergebnisse der linken Hand der

Spiegelgruppe (post vs. Baseline)

35

Abbildung 3.7: Veränderungen in der grauen Substanz des Gyrus fusiformis rechts

Abbildung 3.8: Veränderungen in der grauen Substanz im Lobus anterior des Ce-

rebellums rechts

36

3.2.2 VBM-Änderungen in der weiÿen Substanz

In der VBM-Analyse (nachher versus vorher) der weiÿen Substanz zeigte sich in der

Spiegelgruppe eine Änderung im hinteren Teil des Faszikulus extrema capsula links.

Die in der Abbildung grün markierte Veränderung korreliert mit der prozentualen

Verbesserung der Testergebnisse der linken Hand, r = 0,54 und p = 0,0002.

Abbildung 3.9: Korrelationsdiagramm der VBM-Veränderungen der weiÿen Sub-

stanz und der Verbesserung der Testergebnisse der linken Hand der

Spiegelgruppe (post vs. Baseline)

37

Abbildung 3.10:

Abbildung 3.11: Veränderungen in der weiÿen Substanz im hinteren Teil des Fas-

zikulus extrema capsula links korrelieren mit prozentualer Verbes-

serung der linken Hand

38

3.2.3 Fraktionelle Anisotropie

In der FA-Analyse der DTI (post vs. Baseline) zeigte sich in der Spiegelgruppe

eine Änderung unmittelbar zum rechten Sulcus temporalis superior (STS). Diese

Änderung korreliert mit der prozentualen Verbesserung der linken Hand (post vs.

Baseline), r = 0,5 und p = 0,0009.

Abbildung 3.12: Veränderungen in der FA im Sulcus temporalis superior rechts

korrelieren mit prozentualer Verbesserung der linken Hand

39

Abbildung 3.13: Korrelationsdiagramm der Veränderungen der FA im Sulcus tem-poralis superior rechts und der prozentualen Verbesserung derTestergebnisse der linken Hand der Spiegelgruppe (post vs.Baseline)

40

4 Diskussion

Das Spiegeltraining führt bei der Spiegelgruppe zu einer stärkeren Verbesserung

der Testergebnisse der linken Hand als bei der Kontrollgruppe. In der VBM zeigen

sich Veränderungen in der grauen Substanz (GS) im linken M1, im rechten SMA,

im rechten Gyrus fusiformis sowie im Lobus anterior des rechten Cerebellums.

In der VBM der weiÿen Substanz �nden sich Veränderungen im hinteren Teil des

Faszikulus extrema capsula. In der FA der DTI sind Veränderungen unmittelbar zum

rechten Sulcus temporalis superior zu erkennen. Somit zeigen sich neben den bereits

früher berichteten fMRT-Veränderungen auch plastische Veränderungen der weiÿen

und der grauen Substanz nach dem Spiegeltraining, die mit den Testergebnissen

der linken Hand korrelierten.

4.1 Behavioristische Daten

Die Testergebnisse der rechten Hand zeigen keinen Unterschied zwischen beiden

Studiengruppen (Abbildung 3.1). Daraus geht hervor, dass der visuelle Input des

Spiegels keinen Ein�uss auf die Testergebnisse der rechten trainierten Hand hat.

Dagegen stieg die Leistung der Testergebnisse der linken Hand in der Spiegelgrup-

pe stärker im Verlauf als in der Kontrollgruppe (Abbildung 3.2) und wies einen

statistisch signi�kanten Unterschied auf.

Bei den meisten Menschen führt das Lernen einer neuen motorischen Fähigkeit

mit einer Hand auch zu einer Verbesserung der anderen Hand [21]. Dies ist vermut-

lich auf einen intermanuellen Transfer zurückzuführen und erklärt die Besserung der

41

linken Hand auch in der Kontrollgruppe. Die visuelle Täuschung des Spiegels be-

wirkt jedoch eine deutliche Verbesserung der Trainingsleistung der nicht trainierten

linken Hand in der Spiegelgruppe [15].

4.2 MRT-Daten, Veränderungen in der grauen

Substanz

Wir fanden bereits durch wenige Trainingseinheiten eine Veränderung der grauen

Substanz in unterschiedlichen Hirnregionen, deren Veränderung nicht unspezi�sch

ist, sondern mit der Testleistung der linken Hand korreliert. Die bisherigen Daten

zeigten bislang Veränderungen der grauen Substanz nach längeren Trainingsein-

heiten. So konnten in einer Studie durch ein dreimonatiges Jonglier-Training [8]

oder durch intensives Lernen für ein Staatsexamen [9] Veränderungen in der grau-

en Substanz beobachtet werden. Rasche Veränderungen waren nachweisbar nach

einer repetitiven transkraniellen Magnetstimulation (rTMS) über 5 Tage zu beob-

achten [33]. Im tierexperimentellen Bereich waren bei Mäusen schon nach einem

einstündigen motorischen Training Veränderungen der grauen Substanz im kon-

tralateralen Kortex zu beobachten [63]. Jüngst wurde in einer Studie untersucht,

zu welchem frühesten Zeitpunkt man Veränderungen in der grauen Substanz durch

motorisches Training nachweisen kann [14]. Zum Training mussten rechtshändige

Probanden vier Tage lang ihre eigene Unterschrift mit der linken Hand schrei-

ben. In diesem Zeitraum wurden täglich T1-gewichtete MRT- und fMRT-Bilder

aufgenommen. Der früheste Zeitpunkt, zu dem Veränderungen in der grauen Sub-

stanz beobachtet wurden, war nach drei Tagen im rechten ventralen Striatum.

Zum Ende der Studie fand man zudem Veränderungen in sekundären motorischen

Arealen (dPMCrechts, dPMClinks, SMAlinks und IPLrechts). Die frühe Veränderung

im rechten Striatum zeigte eine funktionelle Kopplung mit den trainingsinduzierten

Veränderungen in den kortikalen Regionen. Dies unterstreicht die enge Kopplung

der funktionellen mit den strukturellen plastischen Veränderungen. In der aktuellen

42

Studie konnten wir durch eine Korrelationsanalyse nachweisen, dass die Verände-

rungen der grauen Substanz eine enge Korrelation zu den Testergebnissen der linken

Hand der Spiegelgruppe besitzen. Interessant ist, dass eine relativ frühe funktionel-

le und strukturelle spezi�sche Plastizität eintritt. In unserer Analyse zeigten sich

Veränderungen in M1links, SMArechts, Gyrus fusiformisrechts und Cerebellumrechts

mit einer positiven Korrelation mit den Testergebnissen der linken Hand zum Zeit-

punkt Tag 5 (post). Das heiÿt: Je besser die Testergebnisse der linken Hand waren,

desto gröÿer war die Zunahme in der grauen Substanz. Eine Zunahme der grauen

Substanz zeigten Ilg et al. [19]. In einer kombinierten fMRT- und VBM-Studie

untersuchten sie Probanden, die das Lesen von gespiegelten Wörtern trainierten.

Die longitudinale Analyse der Voxel-basierten Morphometrie ergab eine Steigerung

der grauen Substanz im rechten dorsolateralen occipitalen Kortex, die dem Gipfel

der spezi�schen Aktivierung vom Spiegel-Lesen entsprach. Dies bestätigte, dass

die kurzfristige Zunahme der grauen Substanz mit der funktionellen Veränderung

der neu erlernten Aufgabenverarbeitung korrespondierte.

In unserer Studie führt der Spiegelproband eine Bewegung (�Output�) mit der

rechten Hand durch und erhält dafür das visuelle Feedback (�Input�) für eine Bewe-

gung der linken Hand. Es entsteht die Illusion, dass die rechte Hand seine linke Hand

mitbewegt. Die Durchführung der Trainingsbewegungen im Spiegel ist anfangs un-

gewöhnlich und bedarf einer Eingewöhnung. Alle motorischen Aktionen sind das

Ergebnis aus einem dynamischen Zusammenspiel verschiedener Hirnregionen, die

bei verschiedenen Aspekten der Vorbereitung und Ausführung der Bewegung be-

teiligt sind. Wie genau das �Input�-Signal (visuelle Täuschung) das �Output�-Signal

(Bewegungsausführung) moduliert, kann bisher nicht beantwortet werden. Es war

jedoch bereits bekannt, dass das Spiegeltraining eine funktionelle Plastizität be-

wirkt [15]. Mit der aktuellen Studie können wir auch nachweisen, dass auch auf

struktureller Ebene eine solche Veränderung nachweisbar ist.

Während man dem primär-motorischen Kortex den Hauptanteil der kortikospi-

nalen neuralen Impulse und die Kontrolle von Bewegungsausführungen zuordnet

43

[12, 10, 36], gilt der prämotorische Kortex als übergeordnetes Zentrum zur Pla-

nung und Selektion von Bewegungsprogrammen [37]. Zu den Aufgaben des SMA

gilt unter anderem die Initiierung von Bewegungen wie auch das Erlernen von

Handlungsabfolgen und die Vorbereitung komplexer Bewegungsmuster. Der SMA

spielt eine Hauptrolle in der Vorbereitung eines Bewegungsablaufs und hat starke

transkallosale Verbindungen zu beiden M1 und prämotorischen Arealen sowie zum

kontralateralen SMA [37]. Alle diese Regionen des motorischen Kortex haben direk-

te Verbindungen zur Pyramidenbahn, dennoch verläuft der Groÿteil der kortikospi-

nalen Verbindungen auf polysynaptischer Basis. So ist zu vermuten, wie Graziano

et al. vorgeschlagen haben [13], dass der motorische Kortex die Bewegungskon-

trolle nicht auf hierarchischer Basis ausführt. Vielmehr ist davon auszugehen, dass

der Motorkortex netzartig und zwischen den motorischen Subregionen heterogen

verknüpft ist. Komplexe Bewegungen involvieren mehrere kortikale Subregionen.

Unsere Probanden haben ein Training durchgeführt, welches die Grobmotorik und

auch die Feinmotorik der Hand und der Finger beanspruchte. Der Unterschied im

Training zwischen beiden Studiengruppen war einzig der visuelle Input des Spie-

gels. So verbesserte sich die Leistung der linken Hand bei der Spiegelgruppe, ob-

wohl sie, genau wie die Kontrollgruppe, nur die rechte Hand trainiert hat. Die

Zunahme der grauen Substanz im M1links ist wahrscheinlich auf das Training der

rechten Hand zurückzuführen. Da beide Gruppen gleich viel trainierten, gehen wir

davon aus, dass M1links in der Spiegelgruppe womöglich durch die Interaktion mit

SMArechts moduliert wurde. Denn eine zunehmende funktionelle Interaktion zwi-

schen SMA und M1 konnte bereits durch das Training im Spiegel nachgewiesen

werden [15]. Schon frühere Studien mit TMS [11] und fMRT [53] untersuchten

die Hirnfunktion während eines motorischen Spiegeltrainings und konnten ebenfalls

eine ipsilaterale M1-Aktivierung zeigen. Die Aktivierung des ipsilateralen M1links

kommt möglicherweise durch die funktionelle Kopplung der bimanuellen Bewegung

(SMA) zum ipsilateralen M1 zustande. Mit dem Spiegeltraining kommt es zu einer

stärkeren funktionellen Interaktion zwischen den vernetzten interagierenden Area-

44

len. Hieraus ergibt sich ein besseres Testergebnis der linken Hand. Es zeigt sich,

dass die Veränderungen der grauen Substanz mit den Veränderungen der funktio-

nellen Plastizität teilweise korrespondieren, jedoch kommt es auch in Regionen zu

einer funktionellen Plastizität, die keine (oberhalb der Signi�kanz-Schwelle) struk-

turellen Veränderungen zeigen. So wurden in fMRT-Untersuchungen nach dem

Spiegeltraining neben Aktivierungen von SMA und M1links auch Aktivierungen in

vPMClinks und dPMCrechts beobachtet [15], während wir strukturelle Veränderun-

gen im linken M1, im rechten SMA, im rechten Gyrus fusiformis und im Lobus

anterior des rechten Cerebellums zeigen konnten. Möglicherweise gibt es ein zeitli-

ches Cut-o�-Phänomen, ab dem das Netzwerk durch die vermehrte und verbesserte

funktionelle Interaktion mit einer messbaren strukturellen Veränderung der grauen

Substanz reagiert. Die Erfassung der auftretenden Veränderungen in der grauen

Substanz ist nämlich durch die räumliche Au�ösung des MRT limitiert. So muss

eine strukturelle Veränderung eine ausreichende Gröÿe und räumliche Ausdehnung

erreichen, damit diese erfasst werden kann.

Strukturelle Veränderungen der grauen Substanz können sowohl nach einer kur-

zen Trainingsphase als auch nach einem mehrmonatigen Training auftreten. Es

wird jedoch spekuliert, dass sich unterschiedliche zugrunde liegende Morphologien

dahinter verbergen. Die Veränderungen, die wir mittels VBM erfassen, geben kei-

ne Aussage darüber, auf welche histologischen Veränderungen sie zurückzuführen

sind. Wenn eine Zunahme der grauen Substanz beobachtet wird, könnte dies eine

Zunahme der Neuronengröÿe, der Anzahl der dendritischen Verzweigungen oder

der Synaptogenese bedeuten. Es könnte aber auch Änderungen der Gliazellen oder

der Angiogenese re�ektieren [22]. Ein Rückschluss auf die Natur der Veränderung

ist mittels aktueller Bildgebungsmethoden nicht möglich. Es gibt eine Reihe von

Ansätzen, um die strukturellen Veränderungen in Zukunft genauer interpretieren

zu können. Zum Beispiel wird im tierexperimentellen Bereich getestet, welche im

MRT gemessenen Veränderungen zu welchen histologischen Veränderungen führen

[29].

45

Zu den Funktionen des Kleinhirns gehören das implizite Lernen und die Steue-

rung von automatisierten Bewegungsabläufen. Der Lobus anterior des Cerebellums

ist ein Teil des sogenannten Spinocerebellums. Das Spinocerebellum erhält proprio-

zeptive A�erenzen aus dem Rückenmark mit Informationen über die Stellung von

Muskeln und Gelenken. Durch einen Abgleich von E�erenzen und A�erenzen ist er

entscheidend beteiligt an der Feinabstimmung und Zielrichtigkeit einer Bewegungs-

durchführung [54]. In unserer Studie war für die Spiegelprobanden die Durchfüh-

rung der Trainingsbewegungen im Vergleich zur Kontrollgruppe anspruchsvoller, da

sie ein gespiegeltes visuelles Feedback hatten. Die Bewegungen der Spiegelproban-

den hatten vor allem zu Beginn des Trainings einen höheren Korrekturbedarf. Die

Veränderung der grauen Substanz im Kleinhirn könnte für eine funktionelle Bezie-

hung des Kleinhirns mit der höheren Anforderung des Spiegeltrainings sprechen.

Manche Forscher denken, dass der Gyrus fusiformis mit der Störung der Proso-

pagnosie, auch als Gesichtsblindheit bekannt, zusammenhängen kann. Forschungs-

ergebnisse haben gezeigt, dass die �Fusiform Face Area�, ein Bereich innerhalb

des Gyrus fusiformis, stark bei der Gesichtswahrnehmung beteiligt ist. Zu weiteren

Funktionen des Gyrus fusiformis gehört seine Beteiligung in Lernprozessen, beson-

ders beim Lernen von Sprachen [50]. Die Zunahme der grauen Substanz im Gyrus

fusiformis rechts in der vorliegenden Arbeit beruht möglicherweise auf seinen Auf-

gaben in der räumlichen Verarbeitung. Untersuchungen mit �Go�-Spielern zeigten

erhöhte Werte in der FA im inferioren Temporallappen und Gyrus fusiformis, wel-

che mit der Wahrnehmung und Manipulation von visuell-räumlichen Informationen

assoziiert sind [6, 28]. Die Übungen im Spiegeltraining beanspruchen die visuell-

räumliche Wahrnehmung des Probanden und könnten so zu einer Aktivierung des

Gyrus fusiformis führen, wie es auch bereits in der oben gennanten fMRT-Studie

[15] beschrieben ist.

46

4.3 MRT-Daten, Veränderungen in der weiÿen

Substanz

Der Faszikulus extrema capsula (EmC) besteht aus langen Assoziationsfasern mit

Verbindungen zwischen inferioren Anteilen des Frontallappens, dem Gyrus tempo-

ralis superior, und dem angrenzenden Kortexareal des Sulcus temporalis superior

bis zum inferioren Parietallappen [31]. Das Spiegelneuronen-Netzwerk beinhaltet

ebenfalls Areale wie den inferioren Parietallappen, die durch den EmC mit ver-

schiedenen inferioren frontalen Arealen verbunden werden. In einer fMRT-Studie

[15] zeigte der STS bilateral innerhalb des Spiegelneuronen-Netzwerkes vermehrte

Aktivität, wenn mit einem Spiegel trainiert wurde. Das könnte bedeuten, dass der

STS hauptsächlich in der Verarbeitung der visuellen Information der beobachteten

Hand im Spiegel eine Rolle spielt. Eine Studie mit A�en legte ebenfalls nahe, dass

Neuronen innerhalb des STS die visuelle Information bei der Beobachtung von

objektbezogenen Greifbewegungen vermitteln [40]. Während unserer Studie beob-

achteten die Probanden der Spiegelgruppe ihre eigene Hand im Spiegel. Diese für

die Probanden neue Trainingsform könnte dazu führen, dass die strukturelle Plas-

tizität angeregt wird und es nicht nur zu einer Veränderung der grauen Substanz,

sondern auch der weiÿen Substanz kommt, da hier ein reger Informationstransfer

mit den frontalen Arealen statt�ndet. Dennoch ergibt sich hinsichtlich der Ver-

änderungen der weiÿen Substanz eine ähnliche Interpretation wie bezüglich der

grauen Substanz. So kann die Veränderung der FA uns keine genaue Information

geben, auf welche gewebespezi�sche Veränderung sie tatsächlich zurückzuführen

ist. Eine Erhöhung der FA kann mehrere Vorgänge bedeuten. Zum Beispiel könnte

sie eine Erhöhung der Anzahl der Axonen oder der Myelinisierung widerspiegeln.

Auch eine Verringerung des Axondurchmessers oder eine Abnahme der kreuzen-

den Faserpopulationen könnten zu einer Zunahme der FA führen [22]. Es bedarf

einer weiterführenden methodischen Entwicklung der Bildgebung, um dieser Fra-

ge nachgehen zu können, wenn auf die tierexperimentelle Untersuchung verzichtet

47

wird.

48

5 Zusammenfassung

Die Spiegeltherapie ist eine innovative Therapie der Hemiparese bei Schlaganfallpa-

tienten. Vermutlich ist eine Wirksamkeit der Therapie auf die neuronale Plastizität

zurückzuführen. In dieser Studie haben wir mit 45 gesunden Probanden (Spiegel-

und Kontrollgruppe) untersucht, ob sich nach einem viertägigen Spiegeltraining

eine rasche plastische Veränderung auf der strukturellen Ebene darstellt.

Als Analyseverfahren wurde die Voxel-basierte Morphometrie benutzt, um eine

Analyse der weiÿen und grauen Substanz durchzuführen. Die fraktionelle Anisotro-

pie (FA) gemessen durch die Di�usion-Tensor-Bildgebung (DTI) wurde ebenfalls

untersucht. Vor Beginn (Baseline) und am letzten Tag (Tag 5) der Untersuchung

wurden MRT-Messungen durchgeführt.

Die Testergebnisse zeigen, dass sich die linke Hand der Spiegelgruppe signi�kant

mehr verbessert als die der Kontrollgruppe, während die Verbesserung der rechten

Hand keinen signi�kanten Unterschied zwischen beiden Versuchsgruppen aufweist.

In der Tat zeigt sich eine rasche Veränderung der grauen Substanz bei der Spie-

gelgruppe in M1links, SMArechts, Gyrus fusiformisrechts und Cerebellumrechts, die

positiv mit den Testergebnissen der linken Hand korreliert. Die Veränderung der

weiÿen Substanz im Bereich des Faszikulus extrema capsula zeigt ebenfalls eine

Korrelation mit den Testergebnissen der linken Hand. Wenn die FA ebenfalls korre-

liert wird, zeigt sich ferner unmittelbar neben dem Sulcus temporalis superior eine

signi�kante Veränderung.

Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen die Bedeutung der spezi�schen Netzwerk-

modulierung bei einem spezi�schen Trainingsprogramm. Wie bereits früher gezeigte

49

Veränderungen auf funktioneller Ebene, stellen sich in dieser Studie Veränderungen

auf struktureller Ebene dar. Unklar ist, um welche histomorphologischen Verände-

rungen es sich bei den detektierten Veränderungen der grauen und weiÿen Substanz

tatsächlich handelt. Aktuell ist die Bildgebung mit ihrem Au�ösungsvermögen zu

limitiert, um klare Aussagen zu tre�en. Hier liegen für die Zukunft die Erwartun-

gen auf innovativen Methoden mit hoher MRT-Au�ösung und tierexperimentellen

Daten.

50

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58

Danksagung

Nach vielen Jahren Arbeit ist meine Dissertation endlich vollendet. Ich möchte

mich bei allen Menschen bedanken, die mich bei der Erstellung dieser wissen-

schaftlichen Arbeit begleitet haben. Herrn Professor Hamzei danke ich für die Ver-

gabe des interessanten Promotionsthemas und für die unermüdliche Diskussions-

und Hilfsbereitschaft. Auch Herrn Professor Korinthenberg bin ich für sein zweites

Gutachten zu Dank verp�ichtet.

Besonderen Dank an Esther Schmidt und Dr. Claus Henning Läppchen für die

freundschaftliche Arbeitsatmosphäre, viele wertvolle Anregungen und stete Hilfsbe-

reitschaft, die wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Hansjörg

Mast und Dr. Ralf Schwarzwald danke ich sehr für die technische Durchführung

der MRT-Aufnahmen.

Bei meiner Familie und meinen Freunden möchte ich mich ganz besonders herz-

lich bedanken für die uneingeschränkte, liebevolle und vielseitige Unterstützung

während meines Studiums, ohne die diese Arbeit so nicht möglich gewesen wäre.

59