Kalibrierte funktionelle Magnetresonanztomographie in Ruhe – Teil 2: Kalibrierung BOLD-basierter intrinsischer Hirnkonnektivität durch Integration hämodynamischer MRT mit dynamischer fMRT Signalmodellierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Christine Preibisch; Privatdozent Dr. Christian Sorg
• Fachliche Zuordnung: Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395030489

Die Abhängigkeit des Magnetresonanzsignals von der Sauerstoffsättigung des Blutes (blood oxygenation level dependent (BOLD) Effekt) bildet die Grundlage der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Die starke Kopplung zwischen Änderungen der neuronalen Aktivität und Änderungen im BOLD Signal (neurovaskuläre Kopplung) wird genutzt für fMRT-basierte Untersuchungen neuronaler funktioneller Konnektivität (BOLD-FC). Veränderte BOLD-FC wird bei Patienten mit verschiedensten Hirnerkrankungen gefunden und in der Regel als veränderte neuronale Konnektivität gedeutet. Bei den meisten dieser Erkrankung finden sich jedoch zusätzliche hämodynamisch-vaskuläre Veränderungen, die alle vom BOLD Signal abgeleiteten Maße, einschließlich der BOLD-FC, beeinflussen und eine Interpretation veränderter BOLD-FC erschweren bis unmöglich machen. Wünschenswert wäre daher die Kalibrierung von Ruhe-fMRT Maßen wie der BOLD-FC. Dieser Antrag verfolgt genau dieses Ziel. Der Antrag baut auf den beiden Hauptergebnisse der ersten Förderperiode auf, nämlich der Entwicklung innovativer MRT Methoden zur Untersuchung von Hämodynamik und Sauerstoff-Metabolismus sowie der Etablierung eines mathematischen Modells, das die Simulation der BOLD-FC in Abhängigkeit von neurovaskulären Kopplungsparametern ermöglicht. Jetzt planen wir BOLD-FC und multi-parametrische hämodynamische MRT mittels dieses dynamischen BOLD-Modells zu integrieren, um neuronale und metabolische Konnektivität von hämodynamisch-vaskulären Einflüssen zu trennen, d.h. die Ruhe-fMRT-basierte BOLD-FC zu kalibrieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wollen wir (i) konventionelle Ruhe-fMRT Messungen bei Gesunden und Patienten mit einseitiger Verengung der Halsarterien – das ist unser Läsionsmodell – durch umfangreiche hämodynamische MRT ergänzen. (ii) Weil die BOLD-FC nicht nur durch lokale Veränderungen der neurovaskulären Kopplung beeinflusst wird, sondern auch durch nicht-lokale hämodynamisch-vaskuläre Effekte, planen wir systemische nicht-neuronale Störungen des BOLD-Signals zuerst zu berücksichtigen. (iii) Danach wollen wir – mittels dynamischer BOLD-Signal Simulationen und sinnvoller Eingrenzung der Modellparameter durch hämodynamische MRT – den Einfluss lokaler hämodynamisch-vaskulärer Prozesse auf die BOLD-FC systematisch untersuchen und ein graphisches Modell-gestütztes Instrument zur Interpretation neuro-vaskulärer Einflüsse entwickeln. Wir erwarten dadurch erste Einblicke in die kausalen Zusammenhänge zwischen lokalen Beeinträchtigungen der neurovaskulären Kopplung und BOLD-FC. (iv) Schließlich planen wir zeitaufgelöste Informationen über den neuronalen Sauerstoff¬metabolismus zu generieren, indem wir zeitaufgelöste lokale BOLD-Signale und nicht-zeitaufgelöste multiparametrische hämodynamische MRT – zur sinnvollen Eingrenzung der Parameter – Modell-basiert zusammenführen, um eine kalibrierte metabolisch-definierte BOLD-FC zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen