Kombination aus fMRT und PET enthüllt Gehirnprozesse im Alter

Mittels funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) lassen sich kognitive Funktionen bereits gut beschreiben. Offen sind jedoch Fragen zur grundlegenden Biologie des Gehirns. Eine Kombination aus fMRT und Positronenemissionstomografie (PET) lieferte nun Erkenntnisse über Alterungsprozesse im menschlichen Gehirn.

Gesundheit

Im funktionellen Magnetresonanztomografen (fMRT) können aktive Regionen im Gehirns sichtbar gemacht werden, da diese aufgrund des höheren Nähr- und Sauerstoffbedarfs der Neuronen stärker durchblutet werden. Vergleicht man die fMRT-Signale von Personen unterschiedlichen Alters oder einer Person über längere Zeiträume, lässt dies Rückschlüsse auf Struktur und Funktionsweise des menschlichen Gehirns zu. Auf diese Weise können normale und krankhafte altersbedingte Veränderungen im Gehirn sowie individuelle Unterschiede analysiert werden, was wiederum die Diagnose und Charakterisierung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit vereinfacht. „Allerdings werfen einige häufige fMRT-Muster wie die Deaktivierung bestimmter Hirnareale bei kognitiven Aufgaben oder eine stärkere Aktivität im präfrontalen Bereich in höherem Alter Interpretationsfragen auf“, sagt Anna Rieckmann, Koordinatorin des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts SIMULTAN. Die fMRT-Aufnahmen ergänzte SIMULTAN nun durch Positronenemissionstomografie (PET), da so auch Anzeichen für altersbedingte Veränderungen sichtbar werden. „Wir zeigten, dass hybride fMRT-PET-Scanner komplementäre Aspekte der Gehirnfunktion gleichzeitig darstellen können“, so Rieckmann.

Bedarf und Bereitstellung von Nähr- und Sauerstoff im alternden Gehirn

Da aktive Neuronen mehr Sauerstoff und Nährstoffe verbrauchen (höherer metabolischer Bedarf), erweitern sich auch die Blutgefäße in diesen Regionen, um Durchblutung und Sauerstoffversorgung zu verstärken (hämodynamischer Beitrag). Dieser Anstieg an sauerstoffhaltigem Hämoglobin in der Hirnregion lässt sich mittels fMRT-Bildgebung sichtbar machen. Das Problem ist allerdings, dass die vielen Prozesse, die beim Feuern der Neuronen zu verstärkten fMRT-Signalen führen, komplex und wenig erforscht sind. „So stellt sich etwa die Frage, ob die unterschiedlichen fMRT-Signale bei älteren und jüngeren Erwachsenen eher auf eine unterschiedliche neuronale Aktivität oder auf unterschiedliche Durchblutung und Sauerstoffversorgung des Gefäßsystems im Alter zurückgehen,“ so Rieckmann.

Kombinierte Vorteile beider Systeme

Auf der Suche nach typischen Veränderungen der Gehirnaktivierung untersuchte SIMULTAN das Gehirn von 30 jungen Erwachsenen (20 bis 30 Jahre) und 40 älteren Menschen (65+) mit einem hybriden fMRT-PET-Scanner, während sie Gedächtnisaufgaben lösten. PET ist eine molekulare Bildgebungsmethode und stellt den Glukoseverbrauch im Gehirn dar, der primär durch synaptische Aktivität entsteht und unabhängig von der Durchblutung ist. Das Team interessierte sich insbesondere für fMRT-Signale aus Hirnarealen, die Alterungsprozesse kompensieren können. Dort konnte mit PET der Stoffwechselbedarf angezeigt werden. Da stärkere fMRT-Signale bei den Älteren nicht mit erhöhtem Stoffwechselbedarf korrelierten, geht die unterschiedliche fMRT-Aktivität offenbar nicht auf stärker arbeitende Neuronen zurück, sondern vielmehr auf Alterungsprozesse des Gefäßsystems. Wurde zudem die Aufgabe von Älteren und Jüngeren gleich gut gelöst, war auch der Stoffwechselbedarf der Neuronen gleich. „Für gute kognitive Leistungsfähigkeit im Alter ist also eher die Hirngesundheit verantwortlich als die Kompensation durch andere Gehirnregionen“, vermerkt Rieckmann.

Hirngesundheit im Alter optimieren

Bislang geht man davon aus, dass die Gehirnleistung im Alter nachlässt. Viele Menschen sind jedoch auch im Alter geistig leistungsfähig. SIMULTAN zeigte, dass kognitive Aufgaben mit 75 Jahren ebenso gut gelöst werden können wie mit 40 Jahren. Wäre es möglich, die Faktoren für kognitive Leistungsfähigkeit genauer zu bestimmen, könnte bei Störungen gezielter interveniert werden. „Allein mittels fMRT lassen sich solche Interventionsziele aber kaum finden, da es keine Signale für spezifische Neurotransmitter, Signalwege oder Proteine gibt. PET wiederum ist spezifisch genug, kann aber kaum alle Hirnfunktionen darstellen. Indem die Bildgebungsmethoden kombiniert werden, könnten sich Interventionen für neurologische Erkrankungen ergeben“, schließt Rieckmann. Mit dem Ansatz von SIMULTAN werden nun veränderte Gehirnfunktionen nach sportlichem Training untersucht, um zu sehen, ob veränderte fMRT-Signale mit dem Effekt des Trainings auf Durchblutung und Neuronenaktivität korrelieren.

Schlüsselbegriffe

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Aging-related changes in brain activation and deactivation during cognition: novel insights into the physiology of the human mind from simultaneous PET-fMRI imaging

Kombination aus fMRT und PET enthüllt Gehirnprozesse im Alter

Bedarf und Bereitstellung von Nähr- und Sauerstoff im alternden Gehirn

Kombinierte Vorteile beider Systeme

Hirngesundheit im Alter optimieren

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