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Funktionelle MRT in Psychiatrie und Neurologie Frank Schneider Gereon R. Fink (Hrsg.) Funktionelle MRT in Psychiatrie und Neurologie 2., überarbeitete und aktualisierte Auflage 2013 Mit 591 Abbildungen Unter Mitarbeit von Sabrina Weber-Papen 123 Herausgeber Prof. Dr. Dr. Frank Schneider Universitätsklinikum Aachen Prof. Dr. Gereon R. Fink Forschungszentrum Jülich Uniklinik Köln ISBN-13 978-3-642-29799-1 DOI 10.1007/978-3-642-29800-4 ISBN 978-3-642-29800-4 (eBook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Medizin © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, 2013 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Planung: Renate Scheddin, Heidelberg Projektmanagement: Renate Schulz, Heidelberg Lektorat: Annette Wolf, Grimma Projektkoordination: Heidemarie Wolter, Heidelberg Umschlaggestaltung: deblik Berlin Fotonachweis Umschlag: von den Herausgebern Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH – Reinhold Schöberl, Würzburg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Medizin ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer.com V 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 Verständnis 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 Kapitel 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 funktioneller Bildgebung auf ihre neuralen Mechanismen und Effekte untersucht werden. Durch Neurofeedback 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 umfangreicher 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 Beteiligten 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 Neurologie 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 OpfermannRüngeler 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 zustande gekommen wäre. Frank Schneider Gereon R. Fink Aachen und Köln, im Herbst 2012 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F. Schneider, G. R. Fink 1 I Grundlagen 2 Funktionelle Neuroanatomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Amunts, K. Zilles 7 3 Grundlagen der MR-Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T. Stöcker, N. J. Shah 61 4 Von der Grundlagenforschung zum klinischen Einsatz in Diagnostik und Therapie . . . . . . . . . . G. R. Fink, F. Schneider 79 5 Grundlagen der Morphometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P. Pieperhoff, T. Dickscheid, K. Amunts 87 6 Echtzeit-fMRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Mathiak, R. Goebel, N. Weiskopf 103 7 Rekrutierung von Studienteilnehmern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Pauly, U. Habel 119 8 Planung und Umsetzung experimenteller Paradigmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T. Kellermann, U. Habel 131 9 Datenanalyse: Vorverarbeitung, Statistik und Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A. Wohlschläger, T. Kellermann 151 10 Reliabilität und Qualität von fMRT-Experimenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T. Stöcker, N. J. Shah 173 11 Augenbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U. Pfeiffer, R. Weidner 181 12 Neuropharmakologische funktionelle Bildgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C. M. Thiel, G. R. Fink 191 13 Geschlechtsabhängige Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U. Habel, B. Derntl 203 14 Altersabhängige Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J. Kukolja, B. Voss 215 15 Resting-State-fMRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . W. Grodd, C. F. Beckmann 229 VIII Inhaltsverzeichnis 16 Präoperative fMRT-Diagnostik, Neuronavigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D. Kuhnt, M. H. A. Bauer, C. Nimsky 257 17 Metaanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S. B. Eickhoff, C. Rottschy, T. Nickl-Jockschat 267 II Höhere Hirnleistungen 18 Motorik und Handlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P. H. Weiss-Blankenhorn, G. R. Fink 279 19 Wahrnehmung und Aufmerksamkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R. Weidner, G. R. Fink 301 20 Visuelles System und Objektverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Willmes, B. Fimm 319 21 Auditorisches System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M. Meyer 345 22 Exekutive Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N. Y. Seiferth, R. Thienel 359 23 Somatosensorisches System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C. Grefkes, S. B. Eickhoff, G. R. Fink 375 24 Gedächtnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M. Piefke, G. R. Fink 393 25 Lernen und Belohnungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L. Rademacher, K. N. Spreckelmeyer 409 26 Funktionelle Neuroanatomie der Sprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Amunts, S. Heim 425 27 Zahlenverarbeitung und Rechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H.-C. Nuerk, E. Klein, K. Willmes 443 28 Konnektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C. Grefkes, S. B. Eickhoff, G. R. Fink 457 29 Soziale Kognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Vogeley, L. Schilbach 471 30 Emotionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B. Derntl, F. Schneider, U. Habel 483 31 Olfaktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C. Moessnang, J. Freiherr 505 32 Funktionelle Bildgebung in der Schmerzforschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U. Bingel, K. Wiech 523 IX Inhaltsverzeichnis III Krankheitsbilder 33 Dystonien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B. Haslinger 537 34 Parkinson-Syndrom, Chorea Huntington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Reetz, F. Binkofski, C. Eggers 549 35 Aphasie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M. Grande, W. Huber 563 36 Akalkulie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Willmes, E. Klein, H.-C. Nuerk 577 37 Apraxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F. Binkofski, P. Weiss-Blankenhorn, G. R. Fink 587 38 Neglekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S. Vossel, J. Kukolja, G. R. Fink 603 39 Amnesien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H. J. Markowitsch 621 40 Funktionserholung nach Schlaganfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C. Grefkes, G. R. Fink 633 41 Demenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B. Voss, U. Habel 647 42 Schizophrenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Pauly, T. Nickl-Jockschat 659 43 Affektive Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N. Kohn, U. Habel, F. Schneider 677 44 Zwangs- und Angststörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Koch, K. Mathiak 691 45 Posttraumatische Belastungsstörung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C. Regenbogen, K. Pauly 703 46 Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätssyndrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Konrad, S. Herpertz, B. Herpertz-Dahlmann 715 47 Persönlichkeitsstörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M. Dyck, K. Mathiak 729 48 Abhängigkeitserkrankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. N. Spreckelmeyer, G. Gründer 741 X Inhaltsverzeichnis IV Arbeitsmittel 49 Hirnatlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K. Amunts, K. Zilles 753 50 Tool zur integrierten Analyse von Struktur, Funktion und Konnektivität: SPM Anatomy Toolbox S. B. Eickhoff, C. Rottschy, S. Caspers 779 Serviceteil Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 800 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 807 Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817 XI Die Herausgeber Univ.-Prof. Dr. med. Dr. rer. soc. Frank Schneider ist Direktor der Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik am Universitätsklinikum Aachen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen sowie Adjunct Professor of Psychiatry an der School of Medicine der University of Pennsylvania, Philadelphia. Er ist Sprecher des Internationalen 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 Deutschen Gesellschaft für Psychiatrie, Psychotherapie und Nervenheilkunde (DGPPN). Adresse: Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik, Universitätsklinikum Aachen, Pauwelsstraße 30, 52074 Aachen, [email protected], 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, [email protected], www.kölnerneurologie.de, und Institut für Neurowissenschaften und Medizin, INM3, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, [email protected], http://www.fz-juelich.de/inm/inm-3/ XIII Autorenverzeichnis Amunts, Katrin, Prof. Dr. Caspers, Svenja, Dr. Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] und Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Derntl, Birgit, Prof. Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Bauer, Miriam Helen Anna, Dipl. Inform. Klinik für Neurochirurgie Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort Marburg Baldingerstraße 35033 Marburg [email protected] Dickscheid, Timo, Dr.-Ing. Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Dyck, Miriam, Dr. Beckmann, Christian F., Prof. Dr. Donders Centre for Cognitive Neuroimaging, PI Kapittelweg 29 NL-6525 EN Nijmegen [email protected] Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Bingel, Ulrike, PD Dr. Eggers, Carsten, Dr. Klinik für Neurologie Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf Martinistraße 52 20246 Hamburg [email protected] Klinik und Poliklinik für Neurologie Klinikum der Universität zu Köln Kerpener Straße 62 50937 Köln [email protected] Binkofski, Ferdinand C., Prof. Dr. Eickhoff, Simon B., Prof. Dr. Neurologische Klinik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] und Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-4) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Institut für Klinische Neurowissenschaften und Medizinische Psychologie Heinrich-Heine Universität Düsseldorf Universitätsstraße 1 40225 Düsseldorf [email protected] und Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] XIV Autorenverzeichnis Fimm, Bruno, Dr. Grefkes, Christian, PD Dr. Lehr- und Forschungsgebiet Neuropsychologie an der Neurologischen Klinik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Klinik und Poliklinik für Neurologie Klinikum der Universität zu Köln Kerpener Straße 62 50937 Köln [email protected] und Max-Planck-Institut für neurologische Forschung AG »Neuromodulation & Neurorehabilitation« Gleueler Straße 50 50931 Köln [email protected] Fink, Gereon R., Prof. Dr. Klinik und Poliklinik für Neurologie Klinikum der Universität zu Köln Kerpener Straße 62 50937 Köln [email protected] und Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Grodd, Wolfgang, Prof. Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Freiherr, Jessica, Prof. Dr. Gründer, Gerhard, Prof. Dr. Klinik für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Habel, Ute, Prof. Dr. Goebel, Rainer, Prof. Dr. Faculty of Psychology and Neuroscience Department of Cognitive Neuroscience Maastricht University Oxfordlaan 55 NL-6229 EV Maastricht [email protected] Grande, Marion, Dr. Neurologische Klinik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Haslinger, Bernhard, Prof. Dr. Neurologische Klinik und Poliklinik Klinikum Rechts der Isar TU München Ismaninger Straße 22 81675 München [email protected] Heim, Stefan, PD Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] und Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] XV Autorenverzeichnis Herpertz, Sabine, Prof. Dr. Konrad, Kerstin, Prof. Dr. Klinik für Allgemeine Psychiatrie Universität Heidelberg Voßstraße 2 69115 Heidelberg [email protected] Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Kindes- und Jugendalters Universitätsklinikum Aachen Neuenhofer Weg 21 52074 Aachen [email protected] Herpertz-Dahlmann, Beate, Prof. Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychosomatik und Psychotherapie des Kindes- und Jugendalters Universitätsklinikum Aachen Neuenhofer Weg 21 52074 Aachen [email protected] Kuhnt, Daniela, Dr. Klinik für Neurochirurgie Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort Marburg Baldingerstraße 35033 Marburg [email protected] Huber, Walter, Prof. Dr. Neurologische Klinik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Kellermann, Thilo, Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Kukolja, Juraj, PD Dr. Klinik und Poliklinik für Neurologie Klinikum der Universität zu Köln Kerpener Straße 62 50937 Köln [email protected] und Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Markowitsch, Hans J., Prof. Dr. Klein, Elise, Dr. Dr. Fachbereich Psychologie Eberhard Karls Universität Tübingen Schleichstraße 4 72076 Tübingen [email protected] Koch, Kathrin, PD Dr. Abteilung für diagnostische und interventionelle Neuroradiologie Klinikum Rechts der Isar TU München Ismaninger Straße 22 81675 München [email protected] Kohn, Nils, Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Physiologische Psychologie und Center of Excellence in Cognitive Interaction Technology Universität Bielefeld Postfach 10 01 31 33501 Bielefeld [email protected] und Hanse-Wissenschaftskolleg Postfach 1344 27733 Delmenhorst Mathiak, Klaus, Prof. Dr. Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] XVI Autorenverzeichnis Meyer, Martin, Prof. Dr. Piefke, Martina, Prof. Dr. Psychological Institute Neuroplasticity and Learning in the Healthy Aging Brain University of Zurich Sumatrastrasse 30 CH-8006 Zürich [email protected] Lehrstuhl für Neurobiologie und Genetik des Vehaltens Department für Psychologie und Psychotherapie (i. Gr.) Universität Witten/Herdecke Alfred-Herrhausen-Straße 50 58448 Witten [email protected] Pieperhoff, Peter, Dr. Mößnang, Carolin, Dipl.-Psych. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Nickl-Jockschat, Thomas, Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Nimsky, Christopher, Prof. Dr. Klinik für Neurochirurgie Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort Marburg Baldingerstraße 35033 Marburg [email protected] Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Rademacher, Lena, Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Reetz, Kathrin, Prof. Dr. Neurologische Klinik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] und Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-4) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich Nürk, Hans-Christoph, Prof. Dr. Fachbereich Psychologie Eberhard Karls Universität Tübingen Schleichstraße 4 72076 Tübingen [email protected] Regenbogen, Christina, Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Pauly, Katharina, Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Pfeiffer, Ulrich, M. Sc. Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie Klinikum der Universität zu Köln Kerpener Straße 62 50924 Köln [email protected] Rottschy, Claudia, Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] XVII Autorenverzeichnis Schilbach, Leonhard, Dr. Thienel, Renate, Dr. Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie Klinikum der Universität zu Köln Kerpener Straße 62 50924 Köln [email protected] und Max-Planck-Institut für neurologische Forschung Gleueler Straße 50 50931 Köln [email protected] Priority Research Centre for Translational Neuroscience and Mental Health University of Newcastle Mc Auley Centre Level 5 Mater Hospital, Edith Street Waratah NSW 2298, Australia [email protected] Schneider, Frank, Prof. Dr. Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Seiferth, Nina, Dr. Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie Charité Campus Mitte Charité – Universitätsmedizin Berlin Charitéplatz 1 10117 Berlin [email protected] Shah, N. Jon, Prof. Dr. Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-4) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Spreckelmeyer, Katja, Dr. Department of Psychology Stanford University Stanford, CA 94305-2130 USA [email protected] Stöcker, Tony, Dr. Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e. V. (DZNE) Holbeinstraße 13–15 53175 Bonn [email protected] Thiel, Christiane, Prof. Dr. Fakultät V, Institut für Psychologie Carl von Ossietzky Universität Oldenburg 26111 Oldenburg [email protected] Vogeley, Kai, Prof. Dr. Dr. Klinik und Poliklinik für Psychiatrie und Psychotherapie Klinikum der Universität zu Köln Kerpener Straße 62 50924 Köln [email protected] Voss, Bianca, Dr. Klinik für Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Vossel, Simone, Dr. Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Weidner, Ralph, Dr. Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] Weiskopf, Nikolaus, Dr. Wellcome Trust Centre for Neuroimaging UCL Institute of Neurology University College London 12 Queen Square London WC1N3BG, United Kingdom [email protected] Weiss-Blankenhorn, Peter, Prof. Dr. Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-3) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] XVIII Autorenverzeichnis Wiech, Katja, Dr. Oxford Centre for Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain Nuffield Department of Anaesthetics University of Oxford 12 Mansfield Road Oxford, Oxfordshire OX1 3TA, United Kingdom [email protected] Willmes, Klaus, Prof. Dr. Lehr- und Forschungsgebiet Neuropsychologie an der Neurologischen Klinik Universitätsklinikum Aachen Pauwelsstraße 30 52074 Aachen [email protected] Wohlschläger, Afra, Dr. Abteilung für diagnostische und interventionelle Neuroradiologie Klinikum Rechts der Isar TU München Ismaninger Straße 22 81675 München [email protected] Zilles, Karl, Prof. Dr. Dr. h.c. C. & O. Vogt-Institut für Hirnforschung Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Universitätsstraße 1 40225 Düsseldorf [email protected] und Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-1) Forschungszentrum Jülich 52425 Jülich [email protected] XIX Abkürzungsverzeichnis ACC ACh AD ADHS AHS AIP ALE ALM APL ASD BA BCI BOLD CA CBF CBV cCMA CGL CHR cIPS CMA COMT CP CSF CT DBM DCM DFM DLPFC DMN DSM DTI EBS EEG EKG EKT EMG EOG EPI FEF FFA fMRT FTD GABA GCM GI GTS HG HS IAPS ICA ICC ICD IFG IOG IPL IPS LFP Anteriorer zingulärer Kortex Azetylcholin Alzheimer-Demenz Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätssyndrom Anarchische-Hand-Syndrom Anteriores intraparietales Areal Activation likelihood estimation Allgemeines lineares Modell Anteriorer parietaler Lappen Autismus-Spektrum-Störungen Brodmann-Areal Brain-Computer-Interface Blood oxygen level dependent Commissura anterior Zerebraler Blutfluss Zerebrales Blutvolumen Kaudales zinguläres motorisches Areal Corpus geniculatum laterale Clinical high-risk Kaudaler intraparietaler Sulcus Zinguläres motorisches Areal Catechyl-O-Methyltransferase Commissura posterior Zerebrospinale Flüssigkeit Computertomographie Deformationsbasierte Morphometrie Dynamic Causal Modelling Deformationsfeldmorphometrie Dorsolateraler präfrontaler Kortex »Default Mode«-Netzwerk Diagnostisches und Statistisches Manual psychischer Störungen Diffusions-Tensor-Bildgebung Elastic Body Splines Elektroenzephalogramm Elektrokardiogramm Elektrokrampftherapie Elektromyogramm Elektrookulogramm Echoplanare Bildgebung Frontales Augenfeld Fusiform face area Funktionelle Magnetresonanztomographie Frontotemporale Demenz Gamma-aminobutyric acid (γ-Aminobuttersäure) Granger Causality Mapping Gyrifizierungsindex Gyrus temporalis superior Heschl-Gyrus Heschl-Sulcus International Affective Picture System Independent Component Analysis Intra-Klassen-Korrelationskoeffizient Internationale Klassifikation von Erkrankungen Gyrus frontalis inferior Gyrus occipitalis inferior Inferiorer parietaler Lappen Intraparietaler Sulcus Lokales Feldpotenzial LIP LKD MCC MCI MEG MID MIP MNI MPFC MPH MPN MRS MRT MST MT MTL MVPA nm OFA OFC PAG PCA PCC PET PFC PMd PMv PNS PPA PPC PPI präSMA PSC PSPL PT PTBS rACC rCMA RDM ROI rsfMRT RSN rTMS RVM SCA SEM SF SI SII SID SMA SMG SNR SPECT SPL SSRI SST Laterales intraparietales Areal Lewy-Körper-Demenz Medialer zingulärer Kortex Mild Cognitive Impairment Magnetenzephalographie Monetary Incentive Delay Task Mediales intraparietales Areal Montreal Neurological Institute Medialer präfrontaler Kortex Methylphenidat Maximum Probability Map Magnetresonanzspektroskopie Magnetresonanztomographie, Kernspintomographie Mittleres superiores temporales Areal Mittleres temporales Areal Medialer Temporallappen Multi-Voxel-Pattern-Analyse Nanometer Occipital face area Orbitofrontaler Kortex Periaquäduktales Grau Principal Component Analysis Posterior zingulärer Kortex Positronenemissionstomographie Präfrontaler Kortex Dorsaler prämotorischer Kortex Ventraler prämotorischer Kortex Peripheres Nervensystem Parahippocampal place area Posteriorer parietaler Kortex Psychophysiologische Interaktionen Präsupplementärmotorisches Areal Prozentuale Signalschwankung Posteriorer superiorer Parietallappen Planum temporale Posttraumatische Belastungsstörung Rostrales anteriores Zingulum Rostrales zinguläres motorisches Areal Representational dissimilarity matrices Regions of interest Resting-State-fMRT Resting state network Repetitive transkranielle Magnetstimulation Rostrale ventromediale Medulla Saatpunktbasierte Korrelationsanalyse Structural Equation Modelling Sylvische Fissur Unimodaler somatosensorischer Kortex Sekundärer somatosensorischer Kortex Social Incentive Delay Task Supplementärmotorisches Areal, supplementärmotorischer Kortex Gyrus supramarginalis Signal-Rausch-Verhältnis Single-photon-emission-computertomography Superiorer parietaler Lappen Selektive Serotonin-Re-Uptake-Inhibitoren Stopp-Signal-Task XX STS T TAP TBM TDCS TID TMS ToL ToM TPJ TPS VBM VIP VLPFC VPF WCST ZNS Abkürzungsverzeichnis Superiorer temporaler Sulcus Tesla Testbatterie zur Aufmerksamkeitsprüfung Tensorbasierte Morphometrie Transkranielle Gleichstromstimulation Taskinduzierte Deaktivierung Transkranielle Magnetstimulation Tower of London Theory of Mind Temporoparietale Übergangsregion Thin-Plate Splines Voxelbasierte Morphometrie Ventrales intraparietales Areal Ventrolateraler präfrontaler Kortex Ventraler Präfrontalkortex Wisconsin-Card-Sorting-Test Zentrales Nervensystem 1 1 Einführung F. Schneider, G. R. Fink 1.1 Stellenwert der fMRT in der neuropsychiatrischen Forschung 1.2 Ausbildung in der fMRT Literatur –3 –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 2 1 Kapitel 1 · Einführung Psychische und neurologische Störungen sind Erkrankungen des Gehirns. Sie sind mit den klinisch verfügbaren Untersuchungsinstrumenten der neurologischen und psychopathologischen Befundung sowie mit meist apparativen Zusatzuntersuchungen bei einem individuellen Patienten zu diagnostizieren. Die Forschung geht deutlich weiter als die Untersuchung klinischer Einzelfälle. So basiert moderne neuropsychiatrische Forschung auf (. Abb. 1.1): 4 Genetik 4 Neurochemie (inkl. Molekularbiologie und Tiermodelle) 4 Bildgebung (strukturell und funktionell) 4 Psychologie (Phänomenologie inkl. Neuropsychologie und Psychopathologie) Die inhaltliche Fokussierung erfolgt dabei in der neuropsychiatrischen Forschung schwerpunktmäßig auf Funktionsbereichen 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 effektivere Suche nach Endophänotypen bei den einzelnen neuropsychiatrischen Störungen vorantreiben. Zum Einsatz kommen hier insbesondere die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT, auch funktionelle Kernspintomographie), die Positronenemissionstomographie (PET), die Magnetenzephalographie (MEG) oder die Single-photon-emission-computertomography (SPECT). Die verschiedenen bildgebenden Methoden bieten dabei unterschiedliche Ansatzpunkte und zeichnen sich durch spezifische Vor- und Nachteile aus. Das nuklearmedizinische Verfahren der PET bietet beispielsweise unter der Verwendung von Tracersubstanzen die einzigartige Möglichkeit, die Komplexität und Funk- tionsweise von Stoffwechselvorgängen und Transmittersystemen in vivo zu untersuchen. Die Bildgebung mithilfe dieser Tracer macht die Messung des zerebralen Blutflusses und des zerebralen Blutvolumens, des Sauerstoffverbrauchs, der Neurotransmitterfunktionen und des Metabolismus 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 neurologisch Kranken zu beschreiben, um so etwa weitere Schlüsse bezüglich der Pathophysiologie oder der Wirksamkeit von Pharmaka zu gewinnen. Die MEG auf der anderen Seite misst die durch Hirnströme induzierten neuromagnetischen Felder und eignet sich besonders für Studien mit visuellem oder auditorischem 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 Verfahren zu sehen. 1.1 Stellenwert der fMRT in der neuropsychiatrischen Forschung Besonders die fMRT hat als weit verbreitetes Verfahren dazu beigetragen, ein detaillierteres Verständnis der kortikalen und subkortikalen zerebralen Netzwerke des Erlebens und Verhaltens Gesunder und ihrer Störungen bei psychiatrischen und neurologischen Patienten zu erlangen. Bei dieser Methode wird die durch standardisierte Aufgaben hervorgerufene Änderung von lokalisierten Hirnaktivierungen erfasst und statistisch belastbar ausgewertet. Ein großer Vorteil etwa gegenüber der PET ist, . Abb. 1.1 Dimensionen neuropsychiatrischer Forschung: Methoden, Endophänotypen und Krankheiten 3 1.2 · Ausbildung in der fMRT dass es sich bei der fMRT um ein völlig nichtinvasives Verfahren handelt, das es ermöglicht, Aussagen über die zerebrale Aktivierung aufgrund der intrinsischen Kontrasteigenschaften 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 oxygenation level dependent«) zur Analyse zerebraler Aktivität genutzt. Der BOLD-Kontrast beruht auf dem Paramagnetismus des Desoxyhämoglobins, das die Magnetfeldhomogenität in der Umgebung der Blutgefäße stört. Während der Aktivierungsphase strömt sauerstoffreiches und damit weniger paramagnetisches Blut in den aktivierten Bereich ein. Da aber ein Überschuss an Sauerstoff vorhanden ist, kommt es zu einer Zunahme des Oxyhämoglobins 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 erreicht 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 Verfahren der sog. ereigniskorrelierten fMRT (»event-related-fMRI«) deutlich verbessert werden. Bei den in der Forschung verwendeten gängigen Feldstärken bis inzwischen 9 T sind dabei keinerlei Gesundheitsrisiken 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 Korrelate bei neuropsychiatrischen Patienten sowie die Möglichkeit, diese durch verhaltenstherapeutische und pharmakologische 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 detaillierteres 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 Hochrisikoprobanden 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 kognitive und emotionale Funktionen nicht in einzelnen umschriebenen Gehirnarealen zu lokalisieren sind, sondern dass sie auf dynamischen Interaktionen zwischen verschiedenen Gehirnregionen in weit verteilten zerebralen Netzwerken beruhen. In diesem Zuge hat insbesondere in der neuropsychiatrischen Forschung die Hypothese einer gestörten zerebralen Konnektivität wieder verstärkt Beachtung gefunden. Neuere Ansätze mit der fMRT, die diese Fragen beantworten sollen, bieten Konnektivitätsanalysen oder auch das »diffusion tensor imaging« (DTI). Die effektive Konnektivität bezieht sich dabei explizit auf den Einfluss, den eine umschriebene Hirnregion auf eine andere Hirnregion ausübt, während die funktionelle Konnektivität die beobachtbare Korrelation der Hirnaktivität – bestimmt 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 Anforderungen an die Ausbilder thematisiert. An der inhaltlichen und formalen Ausgestaltung des Curriculums fMRT haben folgende Fachgesellschaften mitgewirkt: 4 Deutsche Gesellschaft für Kinder- und Jugendpsychiatrie, 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) 1 4 1 Kapitel 1 · Einführung 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 Neurowissenschaften« und den in ihr zusammengeschlossenen Fachgesellschaften erstellt. Zusammenfassung und Ausblick Die neurobiologische Forschungsrichtung mittels funktionell-bildgebender Methoden, insbesondere der fMRT, hat bereits über eine Integration von funktionell-bildgebenden, strukturell-anatomischen, experimentalpsychologischen und pharmakologischen Befunden zu umfangreichen neuen Erkenntnissen zur Ätiopathogenese, Diagnostik und Therapie neurologischer und psychischer Störungen geführt. In den wenigen Jahren ihrer Anwendung hat die funktionelle Bildgebung unser Verständnis der neurowissenschaftlichen Grundlagen unserer Hirnfunktionen und ihrer Störungen bei psychischen und neurologischen Erkrankungen bereits weitgehend verändert. Unter ihrer Verwendung ergeben sich ein immer umfassender werdendes Verständnis der funktionellen Neuroanatomie und die Formulierung klarer Hypothesen bezüglich zerebraler Fehlfunktionen bei Patienten mit psychischen und neurologischen Störungen. Hieraus lassen sich bereits erste klinisch relevante Anwendungen für Pharmako- und Psychotherapie, aber auch zur Frühdiagnostik und Intervention bis hin zur Entwicklung neuer Therapiestrategien in der Rehabilitation 6 entwickeln. Eine Verbindung mit genetischen und transmitterbezogenen Befunden lässt ein noch besseres Verständnis neuropsychiatrischer Störungen erwarten und eröffnet völlig neue Wege in Diagnostik und Therapie. Literatur Schneider F, Dieterich M (2005) Curriculum Funktionelle Bildgebung. Teil 1: Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) der Arbeitsgemeinschaft »Klinische Neurowissenschaften«. Nervenarzt 76: 513–518 I 5 Grundlagen Kapitel 2 Funktionelle Neuroanatomie K. Amunts, K. Zilles –7 Kapitel 3 Grundlagen der MR-Bildgebung T. Stöcker, N.J. Shah Kapitel 4 Von der Grundlagenforschung zum klinischen Einsatz in Diagnostik und Therapie – 79 G. R. Fink, F. Schneider Kapitel 5 Grundlagen der Morphometrie – 87 P. Pieperhoff, T. Dickscheid, K. Amunts Kapitel 6 Echtzeit-fMRT – 103 K. Mathiak, R. Goebel, N. Weiskopf Kapitel 7 Rekrutierung von Studienteilnehmern K. Pauly, U. Habel Kapitel 8 Planung und Umsetzung experimenteller Paradigmen – 131 T. Kellermann, U. Habel Kapitel 9 Datenanalyse: Vorverarbeitung, Statistik und Auswertung – 151 A. Wohlschläger, T. Kellermann Kapitel 10 Reliabilität und Qualität von fMRT-Experimenten T. Stöcker, N. J. Shah Kapitel 11 Augenbewegungen U. Pfeiffer, R. Weidner Kapitel 12 Neuropharmakologische funktionelle Bildgebung C. M. Thiel, G. R. Fink – 61 – 119 – 173 – 181 – 191 Kapitel 13 Geschlechtsabhängige Effekte U. Habel, B. Derntl – 203 Kapitel 14 Altersabhängige Effekte J. Kukolja, B. Voss Kapitel 15 Resting-State-fMRT – 229 W. Grodd, C. F. Beckmann Kapitel 16 Präoperative fMRT-Diagnostik, Neuronavigation D. Kuhnt, M. H. A. Bauer, C. Nimsky Kapitel 17 Metaanalysen – 267 S. B. Eickhoff, C. Rottschy, T. Nickl-Jockschat – 215 – 257 7 Funktionelle Neuroanatomie K. Amunts, K. Zilles 2.1 Einführung und Grundlagen 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 Aufbau und Gliederung des Gehirns Feinbau des Nervensystems – 9 Aufbau des Kortex – 12 Große Faserbahnsysteme – 14 2.2 Hirnhäute, Ventrikel und Blutgefäße 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Hirnhäute – 16 Ventrikel – 17 Blutgefäße – 18 2.3 Funktionelle Systeme 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.8 2.3.9 2.3.10 2.3.11 2.3.12 2.3.13 2.3.14 Visuelles System – 19 Auditorisches System – 26 Gleichgewichtssystem – 30 Mechanorezeption – 33 Schmerz – 37 Olfaktorisches System – 39 Gustatorisches System – 40 Motorisches System – 41 Neuroanatomische Grundlagen affektiven Verhaltens – 47 Lernen, Gedächtnis und Aufmerksamkeit – 51 Neuroendokrines System – 53 Koordinierung und Modulation durch die Formatio reticularis – 54 Transmittersysteme – 55 Transmitterrezeptoren und intrazelluläre Signalverarbeitung – 57 Literatur –8 –8 – 16 – 19 – 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 2 8 Kapitel 2 · Funktionelle Neuroanatomie Zum Thema 2 Die funktionelle Kernspintomographie zeigt umschriebene Aktivierungen im Gehirn, die eine anatomische Identifizierung 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 einschließlich seiner Mikrostruktur, der regionalen Gliederung der Hirnrinde und die Topographie der Faserbahnen. Anschließend 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 verschiedene Bereiche gliedern. Die gewaltige Anzahl von Nervenzellen (verschiedene Schätzungen gehen von 19 bis 22 Mrd. Neuronen allein in der Hirnrinde aus) ist die Grundlage einer kaum vorstellbaren Anzahl von Verschaltungsmöglichkeiten. Das menschliche Gehirn ist in seinem äußeren, makroskopischen und inneren, mikroskopischen Aufbau als Ausdruck des Prinzips der strukturellen und funktionellen Segregation und Interaktion hoch differenziert. Die Zellkörper (Perikarya) von Nervenzellen (Neuronen) zeigen unterschiedliche Verteilungsmuster im Gehirn: Sie können gleichmäßig verteilt liegen, z. B. in der netzartigen Formatio reticularis des Hirnstamms, wohingegen es in anderen Bereichen zu Clustern von Nervenzellkörpern kommt, z. B. in Kerngebieten (Nuclei). Schließlich zeigt die Hirnrinde (Cortex cerebri) ebenfalls eine hohe Konzentration von Nervenzellen, die aber in oberflächenparallelen Schichten (Laminae) und senkrecht dazu stehenden Zellsäulen (Columnae) angeordnet sind. Oft bilden die von den neuronalen Zellkörpern wegführenden Fortsätze (Axone) Faserbündel, die als Bahnen (Tractus, Fasciculi, Lemnisci, Fibrae, Striae) bezeichnet werden. Diese Bahnen stellen die Verbindungen mit anderen Gebieten des ZNS her. Im peripheren Nervensystem heißen diese Strukturen Nervi (Nn.). Einige Faserbahnen werden gemeinsam von verschiedenen funktionellen Systemen genutzt. Dabei wird aber die funktionelle Spezifität der verschiedenen Faserbündel innerhalb einer Bahn bei- behalten. So werden auch Fasern aus verschiedenen Abschnitten 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 interagieren miteinander: homotope Kommissurenbahnen verknüpfen nach ihrer Lage gleiche, heterotope Kommissurenbahnen nach ihrer Lage unterschiedliche Ziel- und Ursprungsgebiete der beiden Hirnhälften. Während der Begriff der Lateralisation eher eine funktionelle Spezialisierung 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 entwickelt. 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 liegenden weißen Substanz, die aus den zum Kortex hinführenden (afferenten) und vom Kortex wegführenden (efferenten) sowie vor allem intrakortikalen Faserbahnen besteht, gebildet. Die Oberfläche des Kortex ist durch die Vorwölbungen (Windung, Gyrus) und Einbuchtungen (Furche, Sulcus, Fissura) gefaltet. Das Pallium wird in verschiedene Lappen, Lobi, (Frontallappen [Lobus frontalis], Parietallappen [Lobus parietalis], Okzipitallappen [Lobus occipitalis], Insel [Lobus insularis] und Temporallappen [Lobus temporalis]) gegliedert (. Abb. 2.1). Gliederung des zentralen Nervensystems 1. Rückenmark 2. 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) 9 2.1 · Einführung und Grundlagen a b . Abb. 2.1 Lateral- (a) und Medialansicht (b) der rechten Hirnhälfte (aus Zilles u. Rehkämper 1998). Die gestrichelten Linien markieren die Grenzen zwischen den verschiedenen 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. 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 Erregungsleitung statt 6 4 Am Axoninitialsegment wird das Aktionspotenzial gebildet 4 Synapsen übertragen die Erregung von einem auf das nächste Neuron Das Neuron ist die strukturelle und funktionelle Einheit des Nervensystems. Es bildet Fortsätze, einen Neuriten (Axon) und meist mehrere Dendriten, die vom Zellleib (Soma, Perikaryon), ausgehen (. Abb. 2.2). Gliazellen übernehmen vielfältige Aufgaben und sind in den Prozess der Neurotransmission eingebunden, z. B. durch die Regulation der extrazellulären Transmitterkonzentration. Das Soma von Neuronen wird vom Zellkern, Nukleus, und dem Perikaryon mit den Zellorganellen gebildet 2 10 Kapitel 2 · Funktionelle Neuroanatomie 2 . 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) (. 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 Perikaryon herantreten und synaptische Kontakte ausbilden können. Der relativ große Zellkern liegt zumeist im Zentrum des Perikaryons, dessen Chromatin über den gesamten Kernbereich fein verteilt ist. Die Hülle des Nucleus besteht aus 2 Elementarmembranen. Das äußere Blatt der Kernmembran hat Verbindung mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) im Zytoplasma. Das ER ist reich mit Ribosomen besetzt (rauhes oder granuläres ER, rER) und in zahlreichen, konzentrischen Stapeln (Nissl-Schollen; 7 Abschn. 2.1.3) organisiert. Der Golgi-Apparat ist in Nervenzellen stark ausgeprägt. Mitochondrien liegen in großer Anzahl im Perikaryon und sichern den Energiebedarf. Das Perikaryon bildet Fortsätze, die Dendriten (afferent) und das Axon (efferent). Während Dendriten in unterschiedlicher Anzahl pro Neuron ausgebildet sein kön- nen, gibt es immer nur ein Axon. Bei Projektionsneuronen und Spinalganglienzellen können die Axone länger als einen 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 Kollateralen 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 Neurotubuli (20 nm) enthält. Die Neurotubuli sind die strukturelle Grundlage des axonalen Transports, der mithilfe von Adenosintriphosphat (ATP), dem mikrotubu- 11 2.1 · Einführung und Grundlagen . Abb. 2.3 Dendrit mit verschiedenen Synapsentypen. (Aus Zilles u. Rehkämper 1998) lusassoziierten Protein (MAP) und Kinesin durchgeführt wird. Die Weiterleitung der Erregung von einem zu einem anderen Neuron geschieht über Synapsen. Der weitaus häufigste Kontakt ist die chemische Synapse. Die Boutons an den Endverzweigungen der Axone sind der nachgeschalteten Zellmembran eng angelagert, und es entsteht ein 20–30 nm breiter synaptischer Spalt. Die Boutons als präsynaptische Struktur enthalten neben zahlreichen Mitochondrien zur Bereitstellung von Energie vor allem Vesikel mit Botenstoffen (Transmitter) (7 Abschn. 2.3.13), die in der Regel im Perikaryon 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 Perikarya von Pyramidenzellen des Kortex und das Axoninitialsegment sind überwiegend von inhibitorischen Synapsen besetzt. Da dort auch das Aktionspotenzial entsteht, nehmen diese inhibitorischen Synapsen durch ihre Lage eine strategisch besonders günstige Position in der Verschaltungsstruktur des Nervensystems ein. Unter dem Begriff der (Neuro-)Glia werden morphologisch und funktionell unterschiedliche Zelltypen zusam- . Abb. 2.4 Kontinuierliche (links) und saltatorische Erregungsleitung (rechts). Ein Aktionspotenzial (AP) ist mit einem erhöhten Na+-Einstrom verbunden, was zu einer Depolarisation führt. Nach einer Refraktärphase 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 RanvierSchnürringe beschränkt und springen von Schnürring zu Schnürring über. Dadurch kommt es zu einer erheblichen Beschleunigung der Erregungsleitung. (Aus Zilles u. Rehkämper 1998) mengefasst. In der Hirnrinde kommen Glia- und Nervenzellen im Verhältnis 1:1 vor. Gliazellen sind nicht direkt an der Erregungsleitung beteiligt und bilden keine Aktionspotenziale 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 Ionenkonzentration im Interzellularraum beteiligt, wirken am Aufbau der Blut-Hirn-Schranke mit und haben regulatorische Funktion bei der Erregungsübertragung. Mantelzellen und Lemnozyten tragen zur Isolierung neuronaler Elemente bei, da sie Perikarya in Ganglien und afferente Zellfortsätze in der Haut umhüllen. Mikroglia ist zur Phagozytose von Zellen und Zellbruchstücken fähig. 2 12 2 Kapitel 2 · Funktionelle Neuroanatomie Oligodendrozyten bilden im ZNS die Myelinscheiden oder Markscheiden, die Axone umhüllen und gegeneinander 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 benachbarten Abschnitten der Gliaumhüllungen bleibt ein schmaler 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 Schnürring (saltatorische Erregungsleitung; . Abb. 2.4). Dadurch wird die Erregungsleitungsgeschwindigkeit um ein Vielfaches erhöht. Für die Geschwindigkeit ist darüber hinaus die Dicke der Myelinscheide wichtig: Stark myelinisierte Fasern leiten bis zu 100-mal schneller als Axone gleichen Durchmessers ohne Myelinscheide. Myelinscheiden können in histologischen Präparaten sichtbar gemacht werden und ermöglichen so z. B. eine Darstellung von großen Faserbahnen (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 (Architektonik) 6 4 Diese Unterschiede sind Grundlage einer Untergliederung des Kortex in Areale 4 Die kortikalen Areale dienen unterschiedlichen Funktionen Der beim Menschen besonders hoch entwickelte Neokortex (Neokortikalisation) bildet den 6-schichtigen Isokortex und liegt zwischen den beiden Anteilen des Allokortex, dem Paläokortex und dem Archikortex. Isokortex und Allokortex gehen schrittweise ineinander über. Proisokortex ist Teil des Isokortex am Übergang zum Allokortex; Periallokortex gehört zum Allokortex am Übergang zum Isokortex (. Abb. 2.5). Die Begriffe »Archi-«, »Paläo-« und »Neokortex« stammen aus der vergleichenden Anatomie und beschreiben ursprünglich eine zeitliche, d. h. phylogenetische Sequenz. Danach ist der Neokortex eine Neubildung, die erst die Säugetiere kennzeichnen soll. Man weiß heute, dass funktionell, wenn auch nicht architektonisch, dem Neokortex vergleichbare Strukturen bei allen tetrapoden Wirbeltieren gefunden werden. Die Bezeichnungen »Allo-« und »Isokortex« beziehen sich dagegen auf die histologische Struktur: Der Isokortex ist im Allgemeinen durch einen 6-schichtigen Aufbau gekennzeichnet, in den verschiedenen allokortikalen Regionen dagegen kommt es zur Ausbildung von weniger oder auch von mehr Schichten. Allokortex Der 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)
