Funktionelle MRT in Psychiatrie und Neurologie

Frank SchneiderGereon R. Fink (Hrsg.)

Funktionelle MRT in Psychiatrie und Neurologie2., überarbeitete und aktualisierte Auflage 2013

Mit 591 Abbildungen

Unter Mitarbeit von Sabrina Weber-Papen

123

HerausgeberProf. Dr. Dr. Frank SchneiderUniversitätsklinikum Aachen

Prof. Dr. Gereon R. FinkForschungszentrum JülichUniklinik Köln

ISBN-13 978-3-642-29799-1 ISBN 978-3-642-29800-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-29800-4

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Springer Medizin© Springer-Verlag  Berlin Heidelberg 2006, 2013

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Planung: Renate Scheddin, HeidelbergProjektmanagement: Renate Schulz, HeidelbergLektorat: Annette Wolf, GrimmaProjektkoordination: Heidemarie Wolter, HeidelbergUmschlaggestaltung: deblik Berlin Fotonachweis Umschlag: von den HerausgebernSatz: Fotosatz-Service Köhler GmbH – Reinhold Schöberl, Würzburg

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

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VV

Vorwort zur 2. Auflage

Dieses Buch beschäftigt sich mit den Beiträgen der funktionellen Kernspintomographie (fMRT) zur psychiatrisch und neurologisch orientierten Grundlagenforschung. Es zeigt auch in der zweiten Auflage die große Bedeutung, die die Technik der funktionellen Bildgebung für unser Verständnis der normalen und gestörten Hirnfunktionen hat.

In den letzten Jahrzehnten konnten mittels funktioneller Bildgebung wichtige Beiträge zum Verständ-nis der Pathophysiologie psychischer und neurologischer Erkrankungen erarbeitet werden. Dies wurde zusammenfassend in der ersten Auflage dieses Buches 2006 dargestellt. Der immense Wissensfortschritt seit dieser Zeit bewirkte eine neue Auflage, die wir nun gerne vorlegen. Die Autoren der einzelnen Kapi-tel haben versucht, die wichtigsten Entwicklungen nachzuvollziehen und möchten gleichzeitig auch praxisnah aufzeigen, wie solche Beiträge in Zukunft gewonnen und für die Diagnostik genutzt werden können. Darüber hinaus wird es eine wesentliche Herausforderung sein, neue Strategien zur Behandlung von neuropsychiatrischen Erkrankungen zu entwickeln: Neue Einsichten in die Pathophysiologie von Erkrankungen werden neue therapeutische Ansätze ermöglichen – neue Therapien können mittels funk-tioneller Bildgebung auf ihre neuralen Mechanismen und Effekte untersucht werden. Durch Neurofeed-back wird es in absehbarer Zeit möglich sein, diese Technik selbst therapeutisch zu nutzen. Auch hier versucht das Buch, konkrete Hinweise und Anregungen für zukünftige Arbeiten zu geben. Ein umfang-reicher Praxisteil inklusive einem ausführlichen Hirnatlas rundet diese Bestrebungen im Sinne einer Anleitung zum Arbeiten mit der fMRT ab.

Dieses Buch wurde sowohl von einigen Experten außerhalb unserer Kliniken, insbesondere aber von unseren jetzigen und früheren Mitarbeitern geschrieben. Allen an der Entstehung dieses Buches Betei-ligten möchten wir an dieser Stelle ganz herzlich dafür danken, dass sie sehr komplexe Fragestellungen auf eine prägnante, interessante und kurzweilige Art dargestellt haben.

Wir würden uns sehr freuen, wenn dieses Buch fächerübergreifend Interesse findet: Geschrieben ist es für Wissenschaftler am Anfang ihres Werdeganges, für Studierende der Medizin oder Psychologie mit psychiatrischem oder neurologischem Interesse sowie für Assistenzärzte oder Fachärzte in der Neurolo-gie bzw. Psychiatrie. Für Anregungen und Verbesserungsvorschläge für zukünftige Auflagen sind wir jederzeit dankbar.

Geholfen haben uns bei der Fertigstellung des Buches, neben den Autoren, Frau Sabrina Weber-Papen und Frau Anette Schürkens. Dafür bedanken wir uns herzlich, ebenso bei Frau Christine Opfermann-Rüngeler und Herrn Hartmut Mohlberg für die Grafiken und die Bildbearbeitung im Atlasteil. Unser ganz besonderer Dank gilt nicht zuletzt Frau Annette Wolf für das sehr sorgfältige und engagierte Lektorat des nun vorliegenden Werkes sowie Frau Renate Scheddin und Frau Renate Schulz vom Springer-Verlag – ohne deren stets hilfreiche und geduldige Art dieses Buch, nun bereits in der zweiten Auflage, nicht zu-stande gekommen wäre.

Frank SchneiderGereon R. FinkAachen und Köln, im Herbst 2012

VIIVII

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1F. Schneider, G. R. Fink

I Grundlagen

2 Funktionelle Neuroanatomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7K. Amunts, K. Zilles

3 Grundlagen der MR-Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61T. Stöcker, N. J. Shah

4 Von der Grundlagenforschung zum klinischen Einsatz in Diagnostik und Therapie . . . . . . . . . . 79G. R. Fink, F. Schneider

5 Grundlagen der Morphometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87P. Pieperhoff, T. Dickscheid, K. Amunts

6 Echtzeit-fMRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103K. Mathiak, R. Goebel, N. Weiskopf

7 Rekrutierung von Studienteilnehmern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119K. Pauly, U. Habel

8 Planung und Umsetzung experimenteller Paradigmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131T. Kellermann, U. Habel

9 Datenanalyse: Vorverarbeitung, Statistik und Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151A. Wohlschläger, T. Kellermann

10 Reliabilität und Qualität von fMRT-Experimenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173T. Stöcker, N. J. Shah

11 Augenbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181U. Pfeiffer, R. Weidner

12 Neuropharmakologische funktionelle Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191C. M. Thiel, G. R. Fink

13 Geschlechtsabhängige Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203U. Habel, B. Derntl

14 Altersabhängige Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215J. Kukolja, B. Voss

15 Resting-State-fMRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229W. Grodd, C. F. Beckmann

VIII Inhaltsverzeichnis

16 Präoperative fMRT-Diagnostik, Neuronavigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257D. Kuhnt, M. H. A. Bauer, C. Nimsky

17 Metaanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267S. B. Eickhoff, C. Rottschy, T. Nickl-Jockschat

II Höhere Hirnleistungen

18 Motorik und Handlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279P. H. Weiss-Blankenhorn, G. R. Fink

19 Wahrnehmung und Aufmerksamkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301R. Weidner, G. R. Fink

20 Visuelles System und Objektverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319K. Willmes, B. Fimm

21 Auditorisches System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345M. Meyer

22 Exekutive Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359N. Y. Seiferth, R. Thienel

23 Somatosensorisches System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375C. Grefkes, S. B. Eickhoff, G. R. Fink

24 Gedächtnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393M. Piefke, G. R. Fink

25 Lernen und Belohnungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409L. Rademacher, K. N. Spreckelmeyer

26 Funktionelle Neuroanatomie der Sprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425K. Amunts, S. Heim

27 Zahlenverarbeitung und Rechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443H.-C. Nuerk, E. Klein, K. Willmes

28 Konnektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457C. Grefkes, S. B. Eickhoff, G. R. Fink

29 Soziale Kognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471K. Vogeley, L. Schilbach

30 Emotionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483B. Derntl, F. Schneider, U. Habel

31 Olfaktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505C. Moessnang, J. Freiherr

32 Funktionelle Bildgebung in der Schmerzforschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523U. Bingel, K. Wiech

IXInhaltsverzeichnis

IX

III Krankheitsbilder

33 Dystonien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537B. Haslinger

34 Parkinson-Syndrom, Chorea Huntington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549K. Reetz, F. Binkofski, C. Eggers

35 Aphasie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563M. Grande, W. Huber

36 Akalkulie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577K. Willmes, E. Klein, H.-C. Nuerk

37 Apraxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587F. Binkofski, P. Weiss-Blankenhorn, G. R. Fink

38 Neglekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603S. Vossel, J. Kukolja, G. R. Fink

39 Amnesien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621H. J. Markowitsch

40 Funktionserholung nach Schlaganfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633C. Grefkes, G. R. Fink

41 Demenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647B. Voss, U. Habel

42 Schizophrenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659K. Pauly, T. Nickl-Jockschat

43 Affektive Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677N. Kohn, U. Habel, F. Schneider

44 Zwangs- und Angststörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691K. Koch, K. Mathiak

45 Posttraumatische Belastungsstörung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703C. Regenbogen, K. Pauly

46 Aufmerksamkeitsdefizit- Hyperaktivitätssyndrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715K. Konrad, S. Herpertz, B. Herpertz-Dahlmann

47 Persönlichkeitsstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729M. Dyck, K. Mathiak

48 Abhängigkeitserkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741K. N. Spreckelmeyer, G. Gründer

X Inhaltsverzeichnis

IV Arbeitsmittel

49 Hirnatlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753K. Amunts, K. Zilles

50 Tool zur integrierten Analyse von Struktur, Funktion und Konnektivität: SPM Anatomy Toolbox 779S. B. Eickhoff, C. Rottschy, S. Caspers

Serviceteil

Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 800

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 807

Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817

XIXI

Die Herausgeber

Univ.-Prof. Dr. med. Dr. rer. soc. Frank Schneider ist Direktor der Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik am Universitätsklinikum Aachen, Rheinisch-West-fälische Technische Hochschule Aachen sowie Adjunct Professor of Psychiatry an der School of Medicine der University of Pennsylvania, Philadelphia. Er ist Sprecher des Inter-nationalen Graduiertenkollegs 1328 (DFG) zu den hirnstrukturellen und -funktionellen Grundlagen von Schizophrenie und Autismus. Zudem ist er Geschäftsführender Direktor der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) und der Sektion Translationale Hirnforschung in Psychiatrie und Neurologie (JARA-BRAIN) sowie Prodekan der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen. Er ist Facharzt für Psychiatrie und Psychotherapie, Diplom-Psychologe, Psychologischer Psychotherapeut sowie Ausbilder für funktionelle Kernspintomographie der Arbeitsgemeinschaft »Klinische Neurowissenschaften«. Er war Präsident der Deut-schen Gesellschaft für Psychiatrie, Psychotherapie und Nervenheilkunde (DGPPN).Adresse: Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik, Universitätsklinikum Aachen, Pauwelsstraße 30, 52074 Aachen, fschneider@ukaachen.de, http://www.psychiatrie.ukaachen.de

Univ.-Prof. Dr. med. Gereon R. Fink ist Direktor der Klinik und Poliklinik für Neurologie der Universitätsklinik Köln, Direktor des Instituts für Neurowissenschaften und Medizin, Kognitive Neurowissenschaften (INM3), des Forschungszentrums Jülich und Sprecher der Klinischen Forschergruppe 219 (DFG) zu Basal-Ganglien-Kortex-Schleifen. Prof. Fink ist außerdem Prorektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs der Universität zu Köln. Er ist Facharzt für Neurologie, Ausbilder für funktionelle Kernspintomographie der Arbeitsgemeinschaft »Klinische Neurowissenschaften« und war Präsident der Deutschen Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie und funktionelle Bildgebung (DGKN).Adressen: Klinik und Poliklinik für Neurologie, Klinikum der Universität zu Köln, Kerpener Straße 62, 50924 Köln, gereon.fink@uk-koeln.de, www.kölnerneurologie.de, und Institut für Neurowissenschaften und Medizin, INM3, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, g.r.fink@fz-juelich.de, http://www.fz-juelich.de/inm/inm-3/

XIIIXIII

Autorenverzeichnis

Amunts, Katrin, Prof. Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenkamunts@ukaachen.deundInstitut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichk.amunts@fz-juelich.de

Bauer, Miriam Helen Anna, Dipl. Inform.Klinik für NeurochirurgieUniversitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort MarburgBaldingerstraße35033 Marburgbauermi@med.uni-marburg.de

Beckmann, Christian F., Prof. Dr.Donders Centre for Cognitive Neuroimaging, PIKapittelweg 29NL-6525 EN Nijmegenc.beckmann@donders.ru.nl

Bingel, Ulrike, PD Dr. Klinik für NeurologieUniversitätsklinikum Hamburg-EppendorfMartinistraße 5220246 Hamburgbingel@uke.uni-hamburg.de

Binkofski, Ferdinand C., Prof. Dr.Neurologische KlinikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenfbinkofski@ukaachen.deundInstitut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-4)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichf.binkofski@fz-juelich.de

Caspers, Svenja, Dr. Dr.Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichs.caspers@fz-juelich.de

Derntl, Birgit, Prof. Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenbderntl@ukaachen.de

Dickscheid, Timo, Dr.-Ing.Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)Forschungszentrum Jülich52425 Jülicht.dickscheid@fz-juelich.de

Dyck, Miriam, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenmiriam.dyck@rwth-aachen.de

Eggers, Carsten, Dr.Klinik und Poliklinik für NeurologieKlinikum der Universität zu KölnKerpener Straße 6250937 Kölncarsten.eggers@uk-koeln.de

Eickhoff, Simon B., Prof. Dr.Institut für Klinische Neurowissenschaften und Medizinische PsychologieHeinrich-Heine Universität DüsseldorfUniversitätsstraße 140225 Düsseldorfsimon.eickhoff@uni-duesseldorf.deundInstitut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichs.eickhoff@fz-juelich.de

XIV Autorenverzeichnis

Fimm, Bruno, Dr.Lehr- und Forschungsgebiet Neuropsychologiean der Neurologischen KlinikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenfimm@neuropsych.rwth-aachen.de

Fink, Gereon R., Prof. Dr.Klinik und Poliklinik für NeurologieKlinikum der Universität zu KölnKerpener Straße 6250937 Kölngereon.fink@uk-koeln.deundInstitut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichg.r.fink@fz-juelich.de

Freiherr, Jessica, Prof. Dr.Klinik für Diagnostische und Interventionelle NeuroradiologieUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenjfreiherr@ukaachen.de

Goebel, Rainer, Prof. Dr.Faculty of Psychology and NeuroscienceDepartment of Cognitive NeuroscienceMaastricht UniversityOxfordlaan 55NL-6229 EV Maastrichtr.goebel@maastrichtuniversity.nl

Grande, Marion, Dr.Neurologische KlinikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenmgrande@ukaachen.de

Grefkes, Christian, PD Dr.Klinik und Poliklinik für NeurologieKlinikum der Universität zu KölnKerpener Straße 6250937 Kölnchristian.grefkes@uk-koeln.deundMax-Planck-Institut für neurologische ForschungAG »Neuromodulation & Neurorehabilitation«Gleueler Straße 5050931 Kölnc.grefkes@nf.mpg.de

Grodd, Wolfgang, Prof. Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenwgrodd@ukaachen.de

Gründer, Gerhard, Prof. Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenggruender@ukaachen.de

Habel, Ute, Prof. Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenuhabel@ukaachen.de

Haslinger, Bernhard, Prof. Dr.Neurologische Klinik und PoliklinikKlinikum Rechts der IsarTU MünchenIsmaninger Straße 2281675 Münchenhaslinger@lrz.tu-muenchen.de

Heim, Stefan, PD Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachensheim@ukaachen.deundInstitut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichs.heim@fz-juelich.de

XVXVAutorenverzeichnis

Herpertz, Sabine, Prof. Dr.Klinik für Allgemeine PsychiatrieUniversität HeidelbergVoßstraße 269115 Heidelbergsabine.herpertz@uni-heidelberg.de

Herpertz-Dahlmann, Beate, Prof. Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik undPsychotherapie des Kindes- und Jugendalters Universitätsklinikum AachenNeuenhofer Weg 2152074 Aachenbherpertz-dahlmann@ukaachen.de

Huber, Walter, Prof. Dr.Neurologische KlinikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenwhuber@ukaachen.de

Kellermann, Thilo, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachentkellermann@ukaachen.de

Klein, Elise, Dr. Dr.Fachbereich PsychologieEberhard Karls Universität TübingenSchleichstraße 472076 Tübingenelise.klein@uni-tuebingen.de

Koch, Kathrin, PD Dr.Abteilung für diagnostische und interventionelle NeuroradiologieKlinikum Rechts der IsarTU MünchenIsmaninger Straße 2281675 Münchenkathrin.koch@tum.de

Kohn, Nils, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachennkohn@ukaachen.de

Konrad, Kerstin, Prof. Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik undPsychotherapie des Kindes- und Jugendalters Universitätsklinikum AachenNeuenhofer Weg 2152074 Aachenkkonrad@ukaachen.de

Kuhnt, Daniela, Dr.Klinik für NeurochirurgieUniversitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort MarburgBaldingerstraße35033 Marburgkuhntd@med.uni-marburg.de

Kukolja, Juraj, PD Dr.Klinik und Poliklinik für NeurologieKlinikum der Universität zu KölnKerpener Straße 6250937 Kölnjuraj.kukolja@uk-koeln.deundInstitut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichj.kukolja@fz-juelich.de

Markowitsch, Hans J., Prof. Dr.Physiologische Psychologie undCenter of Excellence in Cognitive Interaction TechnologyUniversität BielefeldPostfach 10 01 3133501 Bielefeldhjmarkowitsch@uni-bielefeld.deundHanse-WissenschaftskollegPostfach 134427733 Delmenhorst

Mathiak, Klaus, Prof. Dr. Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenkmathiak@ukaachen.de

XVI Autorenverzeichnis

Meyer, Martin, Prof. Dr.Psychological InstituteNeuroplasticity and Learningin the Healthy Aging BrainUniversity of ZurichSumatrastrasse 30CH-8006 Zürichmartin.meyer@uzh.ch

Mößnang, Carolin, Dipl.-Psych.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachencamoessnang@ukaachen.de

Nickl-Jockschat, Thomas, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachentnickl-jockschat@ukaachen.de

Nimsky, Christopher, Prof. Dr.Klinik für NeurochirurgieUniversitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort MarburgBaldingerstraße35033 Marburgnimsky@med.uni-marburg.de

Nürk, Hans-Christoph, Prof. Dr.Fachbereich PsychologieEberhard Karls Universität TübingenSchleichstraße 472076 Tübingenhc.nuerk@uni-tuebingen.de

Pauly, Katharina, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenkpauly@ukaachen.de

Pfeiffer, Ulrich, M. Sc.Klinik und Poliklinik für Psychiatrieund PsychotherapieKlinikum der Universität zu KölnKerpener Straße 6250924 Kölnulrich.pfeiffer@uk-koeln.de

Piefke, Martina, Prof. Dr.Lehrstuhl für Neurobiologie und Genetik des VehaltensDepartment für Psychologie und Psychotherapie (i. Gr.)Universität Witten/HerdeckeAlfred-Herrhausen-Straße 5058448 Wittenmartina.piefke@uni-wh.de

Pieperhoff, Peter, Dr.Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichp.pieperhoff@fz-juelich.de

Rademacher, Lena, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenlrademacher@ukaachen.de

Reetz, Kathrin, Prof. Dr.Neurologische KlinikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenkreetz@ukaachen.deundInstitut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-4)Forschungszentrum Jülich52425 Jülich

Regenbogen, Christina, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachencregenbogen@ukaachen.de

Rottschy, Claudia, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachencrottschy@ukaachen.de

XVIIXVIIAutorenverzeichnis

Schilbach, Leonhard, Dr.Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und PsychotherapieKlinikum der Universität zu KölnKerpener Straße 6250924 Köln leonhard.schilbach@uk-koeln.deundMax-Planck-Institut für neurologische ForschungGleueler Straße 5050931 Kölnleonhard.schilbach@nf.mpg.de

Schneider, Frank, Prof. Dr. Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenfschneider@ukaachen.de

Seiferth, Nina, Dr.Klinik für Psychiatrie und PsychotherapieCharité Campus MitteCharité – Universitätsmedizin BerlinCharitéplatz 110117 Berlinnina.seiferth@charite.de

Shah, N. Jon, Prof. Dr.Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-4)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichn.j.shah@fz-juelich.de

Spreckelmeyer, Katja, Dr.Department of PsychologyStanford University Stanford, CA 94305-2130USAspreckel@stanford.edu

Stöcker, Tony, Dr.Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e. V. (DZNE)Holbeinstraße 13–1553175 Bonntony.stoecker@dzne.de

Thiel, Christiane, Prof. Dr.Fakultät V, Institut für PsychologieCarl von Ossietzky Universität Oldenburg26111 Oldenburgchristiane.thiel@uni-oldenburg.de

Thienel, Renate, Dr.Priority Research Centre for Translational Neuroscience and Mental Health University of Newcastle Mc Auley Centre Level 5 Mater Hospital, Edith Street Waratah NSW 2298, Australiarenate.thienel@newcastle.edu.au

Vogeley, Kai, Prof. Dr. Dr.Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und PsychotherapieKlinikum der Universität zu KölnKerpener Straße 6250924 Kölnkai.vogeley@uk-koeln.de

Voss, Bianca, Dr.Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und PsychosomatikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenbivoss@ukaachen.de

Vossel, Simone, Dr.Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichs.vossel@fz-juelich.de

Weidner, Ralph, Dr.Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichr.weidner@fz-juelich.de

Weiskopf, Nikolaus, Dr.Wellcome Trust Centre for NeuroimagingUCL Institute of NeurologyUniversity College London12 Queen SquareLondon WC1N3BG, United Kingdomn.weiskopf@ucl.ac.uk

Weiss-Blankenhorn, Peter, Prof. Dr.Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichp.h.weiss@fz-juelich.de

XVIII Autorenverzeichnis

Wiech, Katja, Dr.Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the BrainNuffield Department of AnaestheticsUniversity of Oxford12 Mansfield RoadOxford, Oxfordshire OX1 3TA, United Kingdomkwiech@fmrib.ox.ac.uk

Willmes, Klaus, Prof. Dr.Lehr- und Forschungsgebiet Neuropsychologiean der Neurologischen KlinikUniversitätsklinikum AachenPauwelsstraße 3052074 Aachenwillmes@neuropsych.rwth-aachen.de

Wohlschläger, Afra, Dr.Abteilung für diagnostische und interventionelle NeuroradiologieKlinikum Rechts der IsarTU MünchenIsmaninger Straße 2281675 Münchenwohlschlaeger@lrz.tu-muenchen.de

Zilles, Karl, Prof. Dr. Dr. h.c.C. & O. Vogt-Institut für HirnforschungHeinrich-Heine-Universität DüsseldorfUniversitätsstraße 140225 Düsseldorfzilles@hirn.uni-duesseldorf.deundInstitut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1)Forschungszentrum Jülich52425 Jülichk.zilles@fz-juelich.de

XIXXIX

Abkürzungsverzeichnis

ACC Anteriorer zingulärer KortexACh AzetylcholinAD Alzheimer-DemenzADHS Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitäts syndromAHS Anarchische-Hand-SyndromAIP Anteriores intraparietales ArealALE Activation likelihood estimationALM Allgemeines lineares ModellAPL Anteriorer parietaler LappenASD Autismus-Spektrum-StörungenBA Brodmann-ArealBCI Brain-Computer-InterfaceBOLD Blood oxygen level dependentCA Commissura anteriorCBF Zerebraler BlutflussCBV Zerebrales BlutvolumencCMA Kaudales zinguläres motorisches ArealCGL Corpus geniculatum lateraleCHR Clinical high-riskcIPS Kaudaler intraparietaler SulcusCMA Zinguläres motorisches ArealCOMT Catechyl-O-MethyltransferaseCP Commissura posteriorCSF Zerebrospinale FlüssigkeitCT ComputertomographieDBM Deformationsbasierte MorphometrieDCM Dynamic Causal ModellingDFM DeformationsfeldmorphometrieDLPFC Dorsolateraler präfrontaler KortexDMN »Default Mode«-NetzwerkDSM Diagnostisches und Statistisches Manual

psychischer StörungenDTI Diffusions-Tensor-BildgebungEBS Elastic Body SplinesEEG ElektroenzephalogrammEKG ElektrokardiogrammEKT ElektrokrampftherapieEMG ElektromyogrammEOG ElektrookulogrammEPI Echoplanare BildgebungFEF Frontales AugenfeldFFA Fusiform face areafMRT Funktionelle MagnetresonanztomographieFTD Frontotemporale DemenzGABA Gamma-aminobutyric acid (γ-Aminobuttersäure)GCM Granger Causality MappingGI GyrifizierungsindexGTS Gyrus temporalis superiorHG Heschl-GyrusHS Heschl-SulcusIAPS International Affective Picture SystemICA Independent Component AnalysisICC Intra-Klassen-KorrelationskoeffizientICD Internationale Klassifikation von ErkrankungenIFG Gyrus frontalis inferior IOG Gyrus occipitalis inferiorIPL Inferiorer parietaler LappenIPS Intraparietaler SulcusLFP Lokales Feldpotenzial

LIP Laterales intraparietales ArealLKD Lewy-Körper-DemenzMCC Medialer zingulärer KortexMCI Mild Cognitive ImpairmentMEG MagnetenzephalographieMID Monetary Incentive Delay TaskMIP Mediales intraparietales ArealMNI Montreal Neurological InstituteMPFC Medialer präfrontaler KortexMPH MethylphenidatMPN Maximum Probability MapMRS MagnetresonanzspektroskopieMRT Magnetresonanztomographie, Kernspintomo-

graphieMST Mittleres superiores temporales ArealMT Mittleres temporales ArealMTL Medialer TemporallappenMVPA Multi-Voxel-Pattern-Analysenm NanometerOFA Occipital face areaOFC Orbitofrontaler KortexPAG Periaquäduktales GrauPCA Principal Component Analysis PCC Posterior zingulärer KortexPET PositronenemissionstomographiePFC Präfrontaler KortexPMd Dorsaler prämotorischer KortexPMv Ventraler prämotorischer KortexPNS Peripheres NervensystemPPA Parahippocampal place areaPPC Posteriorer parietaler KortexPPI Psychophysiologische InteraktionenpräSMA Präsupplementärmotorisches ArealPSC Prozentuale SignalschwankungPSPL Posteriorer superiorer ParietallappenPT Planum temporalePTBS Posttraumatische BelastungsstörungrACC Rostrales anteriores ZingulumrCMA Rostrales zinguläres motorisches ArealRDM Representational dissimilarity matricesROI Regions of interestrsfMRT Resting-State-fMRT RSN Resting state networkrTMS Repetitive transkranielle MagnetstimulationRVM Rostrale ventromediale MedullaSCA Saatpunktbasierte KorrelationsanalyseSEM Structural Equation ModellingSF Sylvische FissurSI Unimodaler somatosensorischer KortexSII Sekundärer somatosensorischer KortexSID Social Incentive Delay TaskSMA Supplementärmotorisches Areal, supplementär-

motorischer KortexSMG Gyrus supramarginalis SNR Signal-Rausch-VerhältnisSPECT Single-photon-emission-computertomographySPL Superiorer parietaler LappenSSRI Selektive Serotonin-Re-Uptake-InhibitorenSST Stopp-Signal-Task

XX Abkürzungsverzeichnis

STS Superiorer temporaler SulcusT TeslaTAP Testbatterie zur AufmerksamkeitsprüfungTBM Tensorbasierte MorphometrieTDCS Transkranielle GleichstromstimulationTID Taskinduzierte DeaktivierungTMS Transkranielle MagnetstimulationToL Tower of LondonToM Theory of MindTPJ Temporoparietale ÜbergangsregionTPS Thin-Plate SplinesVBM Voxelbasierte MorphometrieVIP Ventrales intraparietales ArealVLPFC Ventrolateraler präfrontaler KortexVPF Ventraler PräfrontalkortexWCST Wisconsin-Card-Sorting-TestZNS Zentrales Nervensystem

1 1

EinführungF. Schneider, G. R. Fink

1.1 Stellenwert der fMRT in der neuropsychiatrischen Forschung – 2

1.2 Ausbildung in der fMRT – 3

Literatur – 4

F. Schneider, G. R. Fink (Hrsg.), Funktionelle MRT in Psychiatrie und Neurologie,DOI 10.1007/978-3-642-29800-4_1, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

2 Kapitel 1 · Einführung

1Psychische und neurologische Störungen sind Erkran-kungen des Gehirns. Sie sind mit den klinisch verfügbaren Untersuchungsinstrumenten der neurologischen und psy-chopathologischen Befundung sowie mit meist appara tiven Zusatzuntersuchungen bei einem individuellen Pa tienten zu diagnostizieren. Die Forschung geht deutlich weiter als die Untersuchung klinischer Einzelfälle. So basiert moder-ne neuropsychiatrische Forschung auf (. Abb. 1.1): 4 Genetik 4 Neurochemie (inkl. Molekularbiologie und Tier-

modelle) 4 Bildgebung (strukturell und funktionell) 4 Psychologie (Phänomenologie inkl. Neuropsycho-

logie und Psychopathologie)

Die inhaltliche Fokussierung erfolgt dabei in der neuro-psychiatrischen Forschung schwerpunktmäßig auf Funk-tionsbereichen wie Kognition, Emotion, Lernen, Sprache und Motorik, wobei die Veränderung der Funktionalität und Störungscharakteristika im Laufe der Lebensspanne eine besondere Beachtung finden. Dies wird eine effektive-re Suche nach Endophänotypen bei den einzelnen neuro-psychiatrischen Störungen vorantreiben.

Zum Einsatz kommen hier insbesondere die funktio-nelle Magnetresonanztomographie (fMRT, auch funktio-nelle Kernspintomographie), die Positronenemissions-tomographie (PET), die Magnetenzephalographie (MEG) oder die Single-photon-emission-computertomography (SPECT). Die verschiedenen bildgebenden Methoden bie-ten dabei unterschiedliche Ansatzpunkte und zeichnen sich durch spezifische Vor- und Nachteile aus.

Das nuklearmedizinische Verfahren der PET bietet bei-spielsweise unter der Verwendung von Tracersubstanzen die einzigartige Möglichkeit, die Komplexität und Funk-

tionsweise von Stoffwechselvorgängen und Transmitter-systemen in vivo zu untersuchen. Die Bildgebung mithilfe dieser Tracer macht die Messung des zerebralen Blutflusses und des zerebralen Blutvolumens, des Sauerstoffver-brauchs, der Neurotransmitterfunktionen und des Meta-bolismus in verschiedenen Hirnregionen möglich. Die PET wurde dabei in den letzten Jahren mit zunehmender Häufigkeit genutzt, um die Rezeptoreigenschaften und -verteilungen bzw. -dichten bei psychisch und neurolo-gisch Kranken zu beschreiben, um so etwa weitere Schlüs-se bezüglich der Pathophysiologie oder der Wirksamkeit von Pharmaka zu gewinnen.

Die MEG auf der anderen Seite misst die durch Hirn-ströme induzierten neuromagnetischen Felder und eignet sich besonders für Studien mit visuellem oder auditori-schem Stimulusmaterial. Auch andere Stimuli wie Gerüche werden eingesetzt. Als besonderer Vorteil ist ihre hohe zeitliche, bei jedoch gleichzeitig schlechterer räumlicher, Auflösung im Vergleich zu den anderen genannten Verfah-ren zu sehen.

1.1 Stellenwert der fMRT in der neuro-psychiatrischen Forschung

Besonders die fMRT hat als weit verbreitetes Verfahren dazu beigetragen, ein detaillierteres Verständnis der kor-tikalen und subkortikalen zerebralen Netzwerke des Er-lebens und Verhaltens Gesunder und ihrer Störungen bei psychiatrischen und neurologischen Patienten zu erlan-gen. Bei dieser Methode wird die durch standardisierte Aufgaben hervorgerufene Änderung von lokalisierten Hirnaktivierungen erfasst und statistisch belastbar aus-gewertet. Ein großer Vorteil etwa gegenüber der PET ist,

. Abb. 1.1 Dimensionen neuropsychiatrischer Forschung: Methoden, Endophänotypen und Krankheiten

1.2 · Ausbildung in der fMRT13

dass es sich bei der fMRT um ein völlig nichtinvasives Ver-fahren handelt, das es ermöglicht, Aussagen über die zere-brale Aktivierung aufgrund der intrinsischen Kontrast-eigenschaften des Blutes und damit ohne die zusätzliche Gabe von radioaktiven Tracersubstanzen zu treffen. So wird, während der Proband im Kernspintomographen liegt, der sog. BOLD-Kontrastmechanismus (»blood oxy-genation level dependent«) zur Analyse zerebraler Aktivi-tät genutzt. Der BOLD-Kontrast beruht auf dem Para-magnetismus des Desoxyhämoglobins, das die Magnet-feldhomogenität in der Umgebung der Blutgefäße stört. Während der Aktivierungsphase strömt sauerstoffreiches und damit weniger paramagnetisches Blut in den akti-vierten Bereich ein. Da aber ein Überschuss an Sauerstoff vorhanden ist, kommt es zu einer Zunahme des Oxyhämo-globins bzw. zu einer Abnahme der Desoxygenierung im venösen Blut des aktivierten Areals.

Das viel zum Einsatz kommende EPI-Verfahren (»echo planar imaging«) bietet die Möglichkeit zur ultraschnellen Messung, sodass Messzeiten von weniger als 100 ms er-reicht werden können und Schichtaufnahmen des ganzen Gehirns im Sekundenbereich erfassbar sind. Somit ist die zeitliche Auflösung der fMRT nur durch die Verzögerung der hämodynamischen Antwort limitiert, während sie sich durch eine exzellente räumliche Auflösung auszeichnet. Die limitierte zeitliche Auflösung kann aber durch das Ver-fahren der sog. ereigniskorrelierten fMRT (»event-relat-ed-fMRI«) deutlich verbessert werden.

Bei den in der Forschung verwendeten gängigen Feld-stärken bis inzwischen 9 T sind dabei keinerlei Gesund-heitsrisiken für den Menschen bekannt, weswegen sich die fMRT aufgrund der Unbedenklichkeit hervorragend für Wiederholungsmessungen eignet, sodass auch der Weg in die Evaluation therapeutischer Prozesse eröffnet wurde. Während die fMRT anfänglich schwerpunktmäßig für die Untersuchung einer Stichprobe zu einem Messzeitpunkt genutzt wurde, finden in jüngerer Zeit Längsschnittstudien eine zunehmende Verbreitung. Erste fMRT-Studien haben Wiederholungsmessungen zwischenzeitlich genutzt, um Effekte einer Pharmako- und/oder Psychotherapie bei Patienten mit psychischen oder neurologischen Störungen nachzuweisen. So liefern Befunde aus Therapiestudien wertvolle Hinweise auf die funktionell-zerebralen Korre-late bei neuropsychiatrischen Patienten sowie die Möglich-keit, diese durch verhaltenstherapeutische und pharmako-logische Therapie zu verändern.

Während zunächst zahlreiche Einzelbefunde von fMRT-Studien an Gesunden und neuropsychiatrischen Patienten vorgelegt wurden, wird inzwischen versucht, aus den vielfältigen Ergebnissen ein umfassenderes und detail-lierteres Verständnis funktionell zerebraler Systeme und ihrer Rollen für die Entstehung, Symptomatologie und den Verlauf der Erkrankungen zu gewinnen. Insbesondere

für die Früherkennung und Diagnostik von Hochrisiko-probanden ist die kernspintomographische Untersuchung in den Fokus der Forschung gerückt. So eignet sich hierfür etwa die Untersuchung von Angehörigen ersten Grades von psychisch Kranken, von der man sich aufgrund des erhöhten genetischen Risikos die Identifikation solcher zerebraler Aktivierungen erhofft, die bereits prämorbid bestehen. Dies soll etwa für die Schizophrenie genetisch determinierte Traitmerkmale erkennbar machen, die für die Früherkennung und Prävention genutzt werden könnten. Aber auch die Analyse der mit Prodromalstadien und initialen Episoden assoziierten zerebralen Muster wird wegweisend für die Einbindung der Bildgebung in den diagnostischen Prozess werden.

Aktuelle Arbeiten aus der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung weisen darauf hin, dass höhere kog-nitive und emotionale Funktionen nicht in einzelnen um-schriebenen Gehirnarealen zu lokalisieren sind, sondern dass sie auf dynamischen Interaktionen zwischen verschie-denen Gehirnregionen in weit verteilten zerebralen Netz-werken beruhen. In diesem Zuge hat insbesondere in der neuropsychiatrischen Forschung die Hypothese einer ge-störten zerebralen Konnektivität wieder verstärkt Beach-tung gefunden. Neuere Ansätze mit der fMRT, die diese Fragen beantworten sollen, bieten Konnektivitätsanaly-sen oder auch das »diffusion tensor imaging« (DTI). Die effektive Konnektivität bezieht sich dabei explizit auf den Einfluss, den eine umschriebene Hirnregion auf eine ande-re Hirnregion ausübt, während die funktionelle Konnek-tivität die beobachtbare Korrelation der Hirnaktivität – be-stimmt mit fMRT, MEG oder auch PET – verschiedener Hirnregionen über die Zeit hinweg beschreibt.

1.2 Ausbildung in der fMRT

Um den qualifizierten Einsatz der fMRT-Methode in der Forschung zu optimieren, wurde ein Curriculum fMRT von zahlreichen wissenschaftlichen Fachgesellschaften vorgelegt (Schneider u. Dieterich 2005). Dieses beschreibt die Ausbildung von Anwendern. Daneben werden Anfor-derungen an die Ausbilder thematisiert.

An der inhaltlichen und formalen Ausgestaltung des Curriculums fMRT haben folgende Fachgesellschaften mitgewirkt: 4 Deutsche Gesellschaft für Kinder- und Jugendpsy-

chiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie (DGKJP) 4 Deutsche Gesellschaft für klinische Neurophysiologie

und funktionelle Bildgebung (DGKN) 4 Deutsche Gesellschaft für Neurologie (DGN) 4 Deutsche Gesellschaft für Neuroradiologie (DGNR) 4 Deutsche Gesellschaft für Neurochirurgie (DGNC) 4 Deutsche Gesellschaft für Nuklearmedizin (DGN)

4 Kapitel 1 · Einführung

1 4 Deutsche Gesellschaft für Psychiatrie, Psychotherapie

und Nervenheilkunde (DGPPN) 4 Gesellschaft für Neuropädiatrie (GNP)

Das Curriculum fMRT – wie auch die weiteren Curricula zum Thema »Funktionelle Bildgebung« – bestehen jeweils aus:

4 Allgemeiner Grundkurs (A) 4 Methodenspezifischer weiterführender Theorie-Kurs

(B) 4 Praktische Ausbildung (C)

Im Grundkurs (A) sollen alle relevanten bildgebenden Techniken des ZNS vorgestellt werden. Der Grundkurs ist deshalb auch Voraussetzung für die Teilnahme an allen weiteren speziellen Kursen zur funktionellen Bildgebung. Der weiterführende Theorie-Kurs im Bereich der fMRT (B) besteht aus 4 Pflichtmodulen sowie 2 Wahlmodulen und wird mit dem Bestehen einer theoretischen Prüfung abgeschlossen. Die praktische Ausbildung (C) muss bei einem in der fMRT akkreditierten Ausbilder erfolgen und schließt den Nachweis selbstständig durchgeführter fMRT-Untersuchungen ein. Die Zertifizierung wird von der DGKN im Auftrag der AG »Klinische Neurowissen-schaften« und den in ihr zusammengeschlossenen Fachge-sellschaften erstellt.

Zusammenfassung und Ausblick

Die neurobiologische Forschungsrichtung mittels funktionell-bildgebender Methoden, insbesondere der fMRT, hat bereits über eine Integration von funkti-onell-bildgebenden, strukturell-anatomischen, expe-rimentalpsychologischen und pharmakologischen Be-funden zu umfangreichen neuen Erkenntnissen zur Ätiopathogenese, Diagnostik und Therapie neurologi-scher und psychischer Störungen geführt. In den we-nigen Jahren ihrer Anwendung hat die funktionelle Bildgebung unser Verständnis der neurowissenschaft-lichen Grundlagen unserer Hirnfunktionen und ihrer Störungen bei psychischen und neurologischen Er-krankungen bereits weitgehend verändert. Unter ih-rer Verwendung ergeben sich ein immer umfassender werdendes Verständnis der funktionellen Neuroana-tomie und die Formulierung klarer Hypothesen be-züglich zerebraler Fehlfunktionen bei Patienten mit psychischen und neurologischen Störungen. Hieraus lassen sich bereits erste klinisch relevante Anwendun-gen für Pharmako- und Psychotherapie, aber auch zur Frühdiagnostik und Intervention bis hin zur Entwick-lung neuer Therapiestrategien in der Rehabilitation

entwickeln. Eine Verbindung mit genetischen und transmitterbezogenen Befunden lässt ein noch besse-res Verständnis neuropsychiatrischer Störungen er-warten und eröffnet völlig neue Wege in Diagnostik und Therapie.

Literatur

Schneider F, Dieterich M (2005) Curriculum Funktionelle Bildgebung. Teil 1: Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) der Ar-beitsgemeinschaft »Klinische Neurowissenschaften«. Nervenarzt 76: 513–518

6

5 I

Grundlagen

Kapitel 2 Funktionelle Neuroanatomie – 7K. Amunts, K. Zilles

Kapitel 3 Grundlagen der MR-Bildgebung – 61T. Stöcker, N.J. Shah

Kapitel 4 Von der Grundlagenforschung zum klinischen Einsatz in Diagnostik und Therapie – 79G. R. Fink, F. Schneider

Kapitel 5 Grundlagen der Morphometrie – 87P. Pieperhoff, T. Dickscheid, K. Amunts

Kapitel 6 Echtzeit-fMRT – 103K. Mathiak, R. Goebel, N. Weiskopf

Kapitel 7 Rekrutierung von Studienteilnehmern – 119K. Pauly, U. Habel

Kapitel 8 Planung und Umsetzung experimenteller Paradigmen – 131T. Kellermann, U. Habel

Kapitel 9 Datenanalyse: Vorverarbeitung, Statistik und Auswertung – 151A. Wohlschläger, T. Kellermann

Kapitel 10 Reliabilität und Qualität von fMRT-Experimenten – 173T. Stöcker, N. J. Shah

Kapitel 11 Augenbewegungen – 181U. Pfeiffer, R. Weidner

Kapitel 12 Neuropharmakologische funktionelle Bildgebung – 191C. M. Thiel, G. R. Fink

Kapitel 13 Geschlechtsabhängige Effekte – 203U. Habel, B. Derntl

Kapitel 14 Altersabhängige Effekte – 215J. Kukolja, B. Voss

Kapitel 15 Resting-State-fMRT – 229W. Grodd, C. F. Beckmann

Kapitel 16 Präoperative fMRT-Diagnostik, Neuronavigation – 257D. Kuhnt, M. H. A. Bauer, C. Nimsky

Kapitel 17 Metaanalysen – 267S. B. Eickhoff, C. Rottschy, T. Nickl-Jockschat

7 2

Funktionelle NeuroanatomieK. Amunts, K. Zilles

2.1 Einführung und Grundlagen – 8

2.1.1 Aufbau und Gliederung des Gehirns – 82.1.2 Feinbau des Nervensystems – 9

2.1.3 Aufbau des Kortex – 122.1.4 Große Faserbahnsysteme – 14

2.2 Hirnhäute, Ventrikel und Blutgefäße – 16

2.2.1 Hirnhäute – 16

2.2.2 Ventrikel – 172.2.3 Blutgefäße – 18

2.3 Funktionelle Systeme – 19

2.3.1 Visuelles System – 19

2.3.2 Auditorisches System – 26

2.3.3 Gleichgewichtssystem – 302.3.4 Mechanorezeption – 332.3.5 Schmerz – 372.3.6 Olfaktorisches System – 39

2.3.7 Gustatorisches System – 402.3.8 Motorisches System – 41

2.3.9 Neuroanatomische Grundlagen affektiven Verhaltens – 472.3.10 Lernen, Gedächtnis und Aufmerksamkeit – 51

2.3.11 Neuroendokrines System – 532.3.12 Koordinierung und Modulation durch die Formatio reticularis – 54

2.3.13 Transmittersysteme – 552.3.14 Transmitterrezeptoren und intra zelluläre Signalverarbeitung – 57

Literatur – 59

Zitierte Literatur – 59

Weiterführende Literatur – 60

F. Schneider, G. R. Fink (Hrsg.), Funktionelle MRT in Psychiatrie und Neurologie,DOI 10.1007/978-3-642-29800-4_2, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

8 Kapitel 2 · Funktionelle Neuroanatomie

2

Zum ThemaDie funktionelle Kernspintomographie zeigt umschriebene Aktivierungen im Gehirn, die eine anatomische Identifizie-rung benötigen. Aus diesem Grund geben wir hier einen kurzen Überblick über die neuroanatomischen Grundlagen des Gehirns mit dem Kortex im Mittelpunkt. In fast allen funktionellen bildgebenden Untersuchungen ist jedoch nicht nur eine kortikale Region aktiviert. Für ein tieferes Verständnis komplexer kognitiver Funktionen ist es deshalb notwendig, auch die Verbindungen zwischen kortikalen Arealen oder mit tiefer gelegenen Kerngebieten und dem Rückenmark zu kennen. Diese Verbindungen werden hier in Form von »Schaltschemata« dargestellt. Das vorliegende Kapitel gibt eine Einführung in den Bauplan des Gehirns ein-schließlich seiner Mikrostruktur, der regionalen Gliederung der Hirnrinde und die Topographie der Faserbahnen. An-schließend werden die wichtigsten funktionellen Systeme beschrieben.

2.1 Einführung und Grundlagen

2.1.1 Aufbau und Gliederung des Gehirns

Das zentrale Nervensystem (ZNS) lässt sich in verschie-dene Bereiche gliedern. Die gewaltige Anzahl von Ner-venzellen (verschiedene Schätzungen gehen von 19 bis 22 Mrd. Neuronen allein in der Hirnrinde aus) ist die Grundlage einer kaum vorstellbaren Anzahl von Verschal-tungsmöglichkeiten. Das menschliche Gehirn ist in seinem äußeren, makroskopischen und inneren, mikroskopi-schen Aufbau als Ausdruck des Prinzips der strukturellen und funktionellen Segregation und Interaktion hoch diffe-renziert.

Die Zellkörper (Perikarya) von Nervenzellen (Neuro-nen) zeigen unterschiedliche Verteilungsmuster im Ge-hirn: Sie können gleichmäßig verteilt liegen, z. B. in der netzartigen Formatio reticularis des Hirnstamms, wohin-gegen es in anderen Bereichen zu Clustern von Nervenzell-körpern kommt, z. B. in Kerngebieten (Nuclei). Schließlich zeigt die Hirnrinde (Cortex cerebri) ebenfalls eine hohe Konzentration von Nervenzellen, die aber in oberflächen-parallelen Schichten (Laminae) und senkrecht dazu ste-henden Zellsäulen (Columnae) angeordnet sind.

Oft bilden die von den neuronalen Zellkörpern weg-führenden Fortsätze (Axone) Faserbündel, die als Bahnen (Tractus, Fasciculi, Lemnisci, Fibrae, Striae) bezeichnet werden. Diese Bahnen stellen die Verbindungen mit ande-ren Gebieten des ZNS her. Im peripheren Nervensystem heißen diese Strukturen Nervi (Nn.). Einige Faserbahnen werden gemeinsam von verschiedenen funktionellen Sys-temen genutzt. Dabei wird aber die funktionelle Spezifität der verschiedenen Faserbündel innerhalb einer Bahn bei-

behalten. So werden auch Fasern aus verschiedenen Ab-schnitten der Retina in ihrem Verlauf im Sehnerv nicht vermischt, und diese retinotope Gliederung bleibt bis in die Sehrinde erhalten (7 Abschn. 2.3.1).

Das Gehirn ist bilateral symmetrisch angelegt. Es finden sich aber dennoch anatomische und funktionelle Unterschiede zwischen linker und rechter Hirnhälfte, Lateralisation oder Asymmetrie. Beide Hälften inter-agieren miteinander: homotope Kommissurenbahnen ver-knüpfen nach ihrer Lage gleiche, heterotope Kommis-surenbahnen nach ihrer Lage unterschiedliche Ziel- und Ursprungsgebiete der beiden Hirnhälften. Während der Begriff der Lateralisation eher eine funktionelle Speziali-sierung beschreibt, wird »Asymmetrie« anatomisch und/oder funktionell verwendet. Rechts- bzw. Linkshändigkeit und Sprachdominanz sind in diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung.

Das Prosenzephalon (Vorderhirn) mit seinen beiden Anteilen Telenzephalon (Endhirn) und Dienzephalon (Zwischenhirn) ist beim Menschen besonders stark ent-wickelt. Es ist vor allem das Telenzephalon mit seinem Pallium (Hirnmantel), das wesentlich die Hirngröße des Menschen bestimmt (. Abb. 2.1). Das Pallium wird aus der Hirnrinde (Cortex cerebri) und der darunter liegen-den weißen Substanz, die aus den zum Kortex hinführen-den (afferenten) und vom Kortex wegführenden (efferen-ten) sowie vor allem intrakortikalen Faserbahnen besteht, gebildet. Die Oberfläche des Kortex ist durch die Vorwöl-bungen (Windung, Gyrus) und Einbuchtungen (Furche, Sulcus, Fissura) gefaltet. Das Pallium wird in verschiedene Lappen, Lobi, (Frontallappen [Lobus frontalis], Parietal-lappen [Lobus parietalis], Okzipitallappen [Lobus occipi-talis], Insel [Lobus insularis] und Temporallappen [Lobus temporalis]) gegliedert (. Abb. 2.1).

Gliederung des zentralen Nervensystems

1. Rückenmark2. Gehirn

– Rhombenzephalon – Myelenzephalon (Medulla oblongata) – Metenzephalon mit Zerebellum – Mesenzephalon mit Tectum – Prosenzephalon – Dienzephalon – Hypothalamus mit Hypophyse – Subthalamus – Thalamus (dorsalis) mit Metathalamus – Epithalamus mit Epiphyse – Telenzephalon – Corpus striatum und Globus pallidus – Pallium (Kortex und weiße Substanz)

292.1 · Einführung und Grundlagen

2.1.2 Feinbau des Nervensystems

> 4 Das Nervengewebe besteht aus 2 Zelltypen: Neuronen und Gliazellen

4 Oligodendrozyten sind besondere Gliazellen, die im ZNS Myelinscheiden bilden

4 Die efferenten Fortsätze der Perikarya, Axone, übernehmen die Weiterleitung des Aktionspotenzials über teilweise lange Strecken

4 An den afferenten Dendriten der Perikarya finden Erregungsaufnahme und Erregungs-leitung statt

4 Am Axoninitialsegment wird das Aktions-potenzial gebildet

4 Synapsen übertragen die Erregung von einem auf das nächste Neuron

Das Neuron ist die strukturelle und funktionelle Ein-heit des Nervensystems. Es bildet Fortsätze, einen Neuri-ten (Axon) und meist mehrere Dendriten, die vom Zell-leib (Soma, Perikaryon), ausgehen (. Abb. 2.2). Gliazellen übernehmen vielfältige Aufgaben und sind in den Prozess der Neurotransmission eingebunden, z. B. durch die Regu-lation der extrazellulären Transmitterkonzentration.

Das Soma von Neuronen wird vom Zellkern, Nukleus, und dem Perikaryon mit den Zellorganellen gebildet 6

. Abb. 2.1 Lateral- (a) und Medialansicht (b) der rechten Hirnhälfte (aus Zilles u. Rehkämper 1998). Die gestrichelten Linien markieren die Grenzen zwischen den ver schiedenen Lobi.1 Pallium, 2 Dienzephalon, 3 Mesenzephalon, 4 Metenzephalon, 5 Myelenzephalon; LF Lobus frontalis, LO Lobus occipitalis, LP Lobus parietalis, LT Lobus temporalis. Der Lobus insularis ist von außen in der Lateralansicht nicht sichtbar, da er von den Lobi frontalis, parietalis und temporalis überdeckt wird. Dies bezeichnet man als Operkularisation.

a

b

10 Kapitel 2 · Funktionelle Neuroanatomie

2

(. Abb. 2.2). Die äußere Form von Neuronen wird stark von der Ausprägung der abgehenden Fortsätze beeinflusst. Das Perikaryon ist von Gliazellen umgeben, zwischen denen Axone anderer Neurone an das Peri karyon heran-treten und synaptische Kontakte ausbilden können. Der relativ große Zellkern liegt zumeist im Zent rum des Peri-karyons, dessen Chromatin über den gesamten Kernbe-reich fein verteilt ist.

Die Hülle des Nucleus besteht aus 2 Elementarmem-branen. Das äußere Blatt der Kernmembran hat Verbin-dung mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) im Zyto plasma. Das ER ist reich mit Ribosomen besetzt ( rauhes oder granuläres ER, rER) und in zahlreichen, kon-zentrischen Stapeln (Nissl-Schollen; 7 Abschn. 2.1.3) orga-nisiert. Der Golgi-Apparat ist in Nervenzellen stark ausge-prägt. Mitochondrien liegen in großer Anzahl im Perika-ryon und sichern den Energiebedarf.

Das Perikaryon bildet Fortsätze, die Dendriten (affe-rent) und das Axon (efferent). Während Dendriten in un-terschiedlicher Anzahl pro Neuron ausgebildet sein kön-

nen, gibt es immer nur ein Axon. Bei Projek tionsneuronen und Spinalganglienzellen können die Axone länger als ei-nen Meter sein (z. B. im motorischen System; 7 Abschn. 2.3.8). Diese beiden Zelltypen sind meist exzitatorisch und bilden v. a. den Transmitter Glutamat (7 Abschn. 2.3.13). Interneurone dienen der Erregungsleitung über kurze Strecken. Ihre Axone sind daher kurz. Interneurone sind oft inhibitorisch und bilden meist den Transmitter GABA.

Das Axon (auch Neurit) beginnt mit einem Axonhügel am Perikaryon und dem Axoninitialsegment, gibt Kollate-ralen ab und zweigt sich am Ende als Telodendron auf. Die Enden (Axonterminale) bilden Auftreibungen (»boutons«), deren Zellmembran die präsynaptische Komponente der Synapse darstellen (. Abb. 2.3).

Im Inneren des Axons findet sich das Axoplasma, das viele Neurofilamente (Durchmesser: ca. 10 nm) und Neu-rotubuli (20 nm) enthält. Die Neurotubuli sind die struk-turelle Grundlage des axonalen Transports, der mithilfe von Adenosintriphosphat (ATP), dem mikrotubu-

. Abb. 2.2 Schema eines motorischen Neurons aus dem Vorderhorn des Rückenmarks. Die gestrichelte Linie markiert die Grenze zwischen peripherem und zentralem Nervensystem (PNS/ZNS). (Aus Zilles u. Rehkämper 1998)

2112.1 · Einführung und Grundlagen

lusassoziierten Protein (MAP) und Kinesin durchge-führt wird.

Die Weiterleitung der Erregung von einem zu einem anderen Neuron geschieht über Synapsen. Der weitaus häu-figste Kontakt ist die chemische Synapse. Die Boutons an den Endverzweigungen der Axone sind der nach geschalteten Zellmembran eng angelagert, und es entsteht ein 20–30 nm breiter synaptischer Spalt. Die Boutons als präsynaptische Struktur enthalten neben zahlreichen Mitochondrien zur Be-reitstellung von Energie vor allem Vesikel mit Botenstoffen (Transmitter) (7 Abschn. 2.3.13), die in der Regel im Peri-karyon gebildet werden. Synapsen sind die Grundlage der Informationsverarbeitung bzw. -integration und spielen eine wichtige Rolle bei Lern- und Gedächtnisvorgängen.

Die Oberfläche der Dendriten und des Perikaryons ist mit einer Vielzahl von Synapsen verschiedener Herkunft und Funktion besetzt. Inhibitorisch wirksame Synapsen kommen besonders häufig am Zellkörper vor. Die Peri-karya von Pyramidenzellen des Kortex und das Axonini-tialsegment sind überwiegend von inhibitorischen Synap-sen besetzt. Da dort auch das Aktionspotenzial entsteht, nehmen diese inhibitorischen Synapsen durch ihre Lage eine strategisch besonders günstige Position in der Ver-schaltungsstruktur des Nervensystems ein.

Unter dem Begriff der (Neuro-)Glia werden morpho-logisch und funktionell unterschiedliche Zelltypen zusam-

mengefasst. In der Hirnrinde kommen Glia- und Nerven-zellen im Verhältnis 1:1 vor. Gliazellen sind nicht direkt an der Erregungsleitung beteiligt und bilden keine Aktions-potenziale und Synapsen. Sie haben aber z. B. Rezeptoren für Neurotransmitter und Hormone und spielen bei der Transmitterregulation und -bildung eine wichtige Rolle.

Astrozyten sind u. a. an der Steuerung der Ionen-konzentration im Interzellularraum beteiligt, wirken am Aufbau der Blut-Hirn-Schranke mit und haben regulato-rische Funktion bei der Erregungsübertragung. Mantel-zellen und Lemnozyten tragen zur Isolierung neuronaler Elemente bei, da sie Perikarya in Ganglien und afferente Zellfortsätze in der Haut umhüllen. Mikroglia ist zur Pha-gozytose von Zellen und Zellbruchstücken fähig.

. Abb. 2.3 Dendrit mit verschiedenen Synapsentypen. (Aus Zilles u. Rehkämper 1998)

. Abb. 2.4 Kontinuierliche (links) und saltatorische Erregungsleitung (rechts). Ein Aktionspotenzial (AP) ist mit einem erhöhten Na+-Ein-strom verbunden, was zu einer Depolarisation führt. Nach einer Re-fraktärphase kann dann erneut ein AP gebildet werden. Bei einem nichtmyelinisierten Axon läuft dieser Prozess kontinuierlich an der Membran des Axons entlang. Bei einem myelinisierten Axon bleiben die Bildung des AP und die Depolarisation auf die Zonen der Ranvier-Schnürringe beschränkt und springen von Schnürring zu Schnürring über. Dadurch kommt es zu einer erheblichen Beschleunigung der Er-regungsleitung. (Aus Zilles u. Rehkämper 1998)

12 Kapitel 2 · Funktionelle Neuroanatomie

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Oligodendrozyten bilden im ZNS die Myelinscheiden oder Markscheiden, die Axone umhüllen und gegeneinan-der isolieren (. Abb. 2.4). Im peripheren Nervensystem bilden Schwann’sche Zellen die Markscheiden. Neben markhaltigen gibt es auch marklose Fasern. Eine Gliazelle umhüllt ca. 1 mm der Axonlänge. Zwischen den benach-barten Abschnitten der Gliaumhüllungen bleibt ein schma-ler Spaltraum, in dem die Zellmembran des Neurons frei liegt – Ranvier-Schnürring. Während bei einem Neuron ohne Myelinscheide die Erregung kontinuierlich über die gesamte Membranstrecke weitergeleitet wird, springt sie im Fall der myelinisierten Fasern von Schnürring zu Schnür-ring (saltatorische Er regungsleitung; . Abb. 2.4). Dadurch wird die Erregungsleitungsgeschwindigkeit um ein Vielfa-ches erhöht. Für die Geschwindigkeit ist darüber hinaus die Dicke der Myelinscheide wichtig: Stark myelinisierte Fasern leiten bis zu 100-mal schneller als Axone gleichen Durch-messers ohne Myelinscheide. Myelinscheiden können in histologischen Präparaten sichtbar gemacht werden und ermöglichen so z. B. eine Darstellung von großen Faserbah-nen (7 Abschn. 2.1.4) und eine differenzierte Darstellung unterschiedlicher Kortexregionen (7 Abschn. 2.1.3).

2.1.3 Aufbau des Kortex

> 4 Der Kortex lässt sich in den 6-schichtigen Neokortex (Isokortex) und den Allokortex (Paläokortex und Archikortex) untergliedern

4 Paläo- und Archikortex sind phylogenetisch älter, der Neokortex ist phylogenetisch jünger

4 Der Kortex zeigt regionale Unterschiede in seinem mikroskopischen Aufbau (Archi-tektonik)

4 Diese Unterschiede sind Grundlage einer Untergliederung des Kortex in Areale

4 Die kortikalen Areale dienen unterschied-lichen Funktionen

Der beim Menschen besonders hoch entwickelte Neo-kortex (Neokortikalisation) bildet den 6-schichtigen Iso-kortex und liegt zwischen den beiden Anteilen des Allo-kortex, dem Paläokortex und dem Archikortex. Isokortex und Allokortex gehen schrittweise ineinander über. Proisokortex ist Teil des Isokortex am Übergang zum Allo-kortex; Periallokortex gehört zum Allokortex am Über-gang zum Isokortex (. Abb. 2.5).

Die Begriffe »Archi-«, »Paläo-« und »Neokortex« stammen aus der vergleichenden Anatomie und beschrei-ben ursprünglich eine zeitliche, d. h. phylogenetische Se-quenz. Danach ist der Neokortex eine Neubildung, die erst die Säugetiere kennzeichnen soll. Man weiß heute, dass funktionell, wenn auch nicht architektonisch, dem Neo-kortex vergleichbare Strukturen bei allen tetrapoden Wir-beltieren gefunden werden.

Die Bezeichnungen »Allo-« und »Isokortex« beziehen sich dagegen auf die histologische Struktur: Der Isokortex ist im Allgemeinen durch einen 6-schichtigen Aufbau ge-kennzeichnet, in den verschiedenen allokortikalen Regio-nen dagegen kommt es zur Ausbildung von weniger oder auch von mehr Schichten.

AllokortexDer Paläokortex umfasst folgende Rindengebiete: 4 Bulbus olfactorius 4 Regio retrobulbaris 4 Regio amygdalaris (kortikaler Anteil der Amygdala) 4 Tuberculum olfactorium 4 Septum mit Regio periseptalis und Regio diagonalis

. Abb. 2.5 Medianansicht einer rechten Hemisphäre mit der Einteilung des Kortex. (Mod. nach Stephan 1975)

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