Simulationen von extravaskulären Artefakten verursacht durch den Blutabtransport in kortikalen Venen zur Erhöhung der neuronalen Spezifizität von funktionellen Ultrahochfeld MRTs

• Antragsteller: Dr. Jörg Pfannmöller
• Fachliche Zuordnung: Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388285513

Die fMRT ist die meist verbreitete in-vivo Bildgebungsmethode für nicht invasive Untersuchungen der Gehirnfunktion. Die moderne MRT Technologie erlaubt eine extrem hohe raum-zeitlicher Auflösung. Dadurch wurden Untersuchungen möglich die unser Wissen über das menschlichen Gehirn enorm erweitert haben. Das Ziel aller fMRT Techniken ist es Rückschlüsse auf die neuronale Aktivität zu ziehen, gemessen werden allerdings Änderungen in der Blutversorgung. In den meisten fMRT Untersuchungen wird ein Blutsauerstoffgehalt abhängiges Signal detektiert. Dieser BOLD Kontrast wird typischerweise mit Gradienten-Echo Sequenzen erfasst. Aufgrund seiner Signalstärke zeichnet sich diese Technik durch eine extrem hohe Sensitivität und Robustheit aus und ist deshalb ideal geeignet um die zur Verfügung stehende Auflösung voll auszunutzen. Allerdings gibt es ein wesentliches Problem: Das BOLD Signal der Venen auf der Gehirnoberfläche und innerhalb der grauen Substanz. Dieses bewirkt eine Verschiebung der Signalmaxima was Rückschlüsse auf den Ort der zugrunde liegenden neuronale Aktivität enorm erschwert. Falls a priori Kenntnisse über die untersuchte funktionale Architektur vorliegen ist es möglich diese Artefakte zu entfernen. Obwohl dafür eigens entwickelte und aufwendige Experimente notwendig sind ist es in einigen Spezialfällen sogar möglich die kortikalen Schichten aufzulösen. Die Durchführbarkeit “laminarer fMRT” hat eine Entwicklung angestoßen um die Beschränkungen durch die Artefakte aufzuheben. Dafür werden die kortikale Vaskularisierung, die im ganzen Kortex einem sehr geordneten Muster folgt, und der störende Einfluss der Venen in die Modellierung des Signals einbezogen. Um die damit einhergehende Erhöhung der Auflösung für praktische Anwendungen zugänglich zu machen möchten wir Ogawa/Boxerman Simulationen zur Modellierung der intra- und extravaskulären Signale durchführen. Im ersten Projektabschnitt werden wir unsere neue Implementation fertigstellen und etablierte Simulationen und Abschätzungen reproduzieren. Der zweite Projektabschnitt beinhaltet die Kalibration der Simulation und die anschließende Erstellung des Models. Danach validieren wir das auf der Artefaktreichweite und der Voxelgröße aufgebaute Model zur Artefakt Entfernung. Dazu nutzen wir zwei unabhängige Kohorten in denen die topographische Karte im primären visuellen Kortex untersucht wird. Die nächste Generation von MRT Scannern befindet sich bereits in der Konstruktionsphase und wird mit einer Magnetfeldstärke von bis zu 20 Tesla eine wesentlich kleinere Voxelgröße ermöglichen. Allerdings erhöhen sich Gleichzeitig auch die Reichweite und Amplitude der Artefakte. Weshalb die Modellierung des hemodynamischen Signals als Antwort auf dessen neuronale Quelle sogar noch wichtiger wird um die Vorteile der höheren Feldstärke überhaupt nutzen zu können. Deshalb werden wir im dritten Projektabschnitt die räumliche Auflösung und die maximale neuronale Spezifizität zwischen 3 und 20 Tesla bestimmen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Jonathan Polimeni, Ph.D.