Ganzhirn-Laminar-FMRI zur Untersuchung neuer Dimensionen des menschlichen Neokortex

Patricia Pais-Roldán, Seong Dae Yun, Nicola Palomero-Gallagher, N. Jon Shah

18. Mai 2023

Es ist bekannt, dass Netzwerke im Ruhezustand des Gehirns das Bewusstsein und verschiedene kognitive Prozesse aufrechterhalten, wenn keine Aufgaben anstehen, und dass sie Informationen über die funktionelle Architektur des Gehirns liefern können. Obwohl Ruhezustandsnetzwerke in kortikalen Bereichen des Gehirns relativ detailliert untersucht wurden, ist die kortikale Tiefe der verschiedenen Netzwerke noch nicht umfassend erforscht worden. Dies ist vor allem auf die geringe Abdeckung des Gehirns durch hochauflösende Bildgebungsverfahren zurückzuführen.

Diese in „Frontiers in Neuroscience“ veröffentlichte Forschungsarbeit basiert auf einer neuartigen fMRI-Technik, die von Forschern des Forschungszentrums Jülich entwickelt wurde und die echoplanare Bildgebung mit Keyhole (EPIK) mit externer EPI-Phasenkorrektur (TR-external) kombiniert, um eine räumliche Auflösung von bis zu einem halben Millimeter in der Ebene (0. 51 × 0,51 × 1,00 mm3 (0,26 mm3 Voxel)) oder 0,63 mm isotrop (d. h. in allen Voxel-Dimensionen) mit Abdeckung des gesamten Großhirns.

Dr. Seong Dae Yun, der Physiker, der hinter den technischen Verbesserungen der Sequenz steht, und Erstautor der Publikation, in der die jüngste Version der Sequenz beschrieben wird (Mapping of Whole-Brain Resting-State Networks with Half-Millimetre Resolution), kommentierte: "Wir haben jahrelang an der Entwicklung der Sequenz gearbeitet. Durch die Verkleinerung des Voxelvolumens auf 0. 25 mm3 zu bringen, was bei einem hohen Feld (7T) endlich möglich ist, war eine große Herausforderung, denn theoretisch könnten wir die Voxelgröße immer weiter reduzieren, aber dann wäre die Signalmenge, die von jedem Voxel kommt, zu gering, um echte neuronale Aktivität von Rauschen zu unterscheiden, so dass wir uns einem Punkt nähern, an dem die intrinsischen Grenzen der MRT berücksichtigt werden müssen... Dennoch ist diese Verbesserung der Abdeckung und der Auflösung ein großer Meilenstein, da sie die Möglichkeit eröffnet, die Funktion von Strukturen zu analysieren, die aufgrund ihrer geringen Größe nicht voneinander unterschieden werden konnten, ohne das Sichtfeld zu verlieren (z. B. unterschiedliche kortikale Tiefengebiete im gesamten Großhirn)".

Anhand von fMRT-Daten von 13 gesunden Probanden konnte mit der neu entwickelten Sequenz die Abhängigkeit der Netzwerkkonnektivität von der kortikalen Tiefe nachgewiesen werden. So scheint die Beteiligung der supragranulären Schichten der Großhirnrinde entscheidend für die Aufrechterhaltung der Ruhezustandsdynamik innerhalb des "Default-Mode-Netzwerks" zu sein (eine Gruppe von Bereichen, die aktiver sind, wenn die Probanden aufgefordert werden, wach zu bleiben, ohne an etwas Bestimmtes zu denken - was in der Regel mit dem Umherschweifen der Gedanken zusammenhängt). Angesichts der Zytoarchitektur des menschlichen Neokortex und auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse stellt die kortikale Dicke eine wichtige Dimension bei der Charakterisierung von Ruhezustandsoszillationen im gesunden Gehirn dar, und ihre funktionelle Untersuchung könnte die Identifizierung von Zielstrukturen bei neurologischen Erkrankungen aus einer neuen Perspektive erleichtern.

Die Erstautorin Dr. Patricia Pais-Roldán sagte: "Ich fühle mich geehrt, in diesem Team zu arbeiten, in dem bahnbrechende Sequenzen entwickelt werden. Diese Atmosphäre fördert neuartige Forschungen, die in den meisten Labors nicht durchgeführt werden können. Die Untersuchung der Funktion der Hirnrinde mit einer derartigen Detailgenauigkeit (in der Tiefe, unter Beibehaltung der nahezu vollständigen Abbildung des Gehirns) bei lebenden menschlichen Probanden führt zu ungeahnten Ergebnissen. Wir beginnen, die Methode zu nutzen, um potenzielle Unterschiede zwischen verschiedenen mentalen Zuständen zu erkennen, und ich bin überzeugt, dass dieser Forschungszweig dazu beitragen wird, neue Aspekte psychologischer Störungen zu entschlüsseln".

Die Originalpublikation ist hier zu finden: Cortical depth-dependent human fMRI of resting-state networks using EPIK