Funktionelle MRT-Signale können die wahre Gehirnaktivität falsch darstellen

Funktionelle MRT-Signale können die wahre Gehirnaktivität falsch darstellen

Forscher der Technischen Universität München (TUM) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) fanden heraus, dass ein erhöhtes fMRT-Signal in rund 40 Prozent der Fälle mit einer verminderten Gehirnaktivität einhergeht. Gleichzeitig beobachteten sie verringerte fMRT-Signale in Regionen mit erhöhter Aktivität.

Dies widerspricht der langjährigen Annahme, dass eine erhöhte Gehirnaktivität immer mit einer erhöhten Durchblutung einhergeht, um einen höheren Sauerstoffbedarf zu decken. Da Zehntausende fMRT-Studien weltweit auf dieser Annahme basieren, könnten unsere Ergebnisse in vielen von ihnen zu gegenteiligen Interpretationen führen.“

Dr. Samira Epp, Erstautorin

Testaufgaben offenbaren Abweichungen von der Standardinterpretation

PD Dr. Valentin Riedl, heute Professor an der FAU, und sein Kollege Epp untersuchten während ihrer Zeit an der TUM mehr als 40 gesunde Teilnehmer. Jedem wurden mehrere experimentelle Aufgaben gestellt – etwa Kopfrechnen oder das Abrufen autobiografischer Erinnerungen –, die bekanntermaßen vorhersehbare fMRT-Signaländerungen in verteilten Gehirnregionen hervorrufen. Während dieser Experimente maßen die Forscher gleichzeitig den tatsächlichen Sauerstoffverbrauch mithilfe einer neuartigen quantitativen MRT-Technik.

Je nach Aufgabe und Gehirnregion fielen die physiologischen Ergebnisse unterschiedlich aus. Ein erhöhter Sauerstoffverbrauch – beispielsweise in den Berechnungsbereichen – ging nicht mit dem erwarteten Anstieg des Blutflusses einher. Vielmehr zeigten die quantitativen Analysen, dass diese Regionen ihren zusätzlichen Energiebedarf dadurch deckten, dass sie der unveränderten Blutversorgung mehr Sauerstoff entzogen. Dadurch nutzten sie den im Blut vorhandenen Sauerstoff effizienter, ohne dass eine stärkere Durchblutung erforderlich war.

Implikationen für die Interpretation von Hirnstörungen

Laut Riedl wirken sich diese Erkenntnisse auch auf die Interpretation von Forschungsergebnissen zu Hirnerkrankungen aus: „Viele fMRT-Studien zu psychiatrischen oder neurologischen Erkrankungen – von Depression bis Alzheimer – interpretieren Veränderungen im Blutfluss als verlässliches Signal für eine neuronale Unter- oder Überaktivierung. Angesichts der begrenzten Aussagekraft solcher Messungen muss dies nun neu bewertet werden. Insbesondere bei Patientengruppen mit Gefäßveränderungen – etwa aufgrund von Alterung oder Gefäßerkrankungen – können die Messwerte in erster Linie vaskuläre Unterschiede und nicht neuronale Defizite widerspiegeln.“ Bisherige Tierstudien deuten bereits in diese Richtung.

Die Forscher schlagen daher vor, den herkömmlichen MRT-Ansatz durch quantitative Messungen zu ergänzen. Langfristig könnte diese Kombination die Grundlage für energiebasierte Gehirnmodelle bilden: Statt Aktivierungskarten zu zeigen, die auf Annahmen über den Blutfluss basieren, könnten künftige Analysen Werte anzeigen, die anzeigen, wie viel Sauerstoff – und damit Energie – tatsächlich für die Informationsverarbeitung verbraucht wird. Dies eröffnet neue Perspektiven, um Alterung, psychiatrische oder neurodegenerative Erkrankungen im Hinblick auf absolute Veränderungen im Energiestoffwechsel zu untersuchen – und genauer zu verstehen.

Quellen: