Neurodegenerative Erkrankungen wie Demenz und Parkinson betreffen in Deutschland schätzungsweise 1,8 Millionen Menschen. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein wichtiges Instrument, um Veränderungen im Gehirn sichtbar zu machen und die Diagnose zu unterstützen. Die MRT ermöglicht hochaufgelöste Darstellungen des Weichgewebes und kann sowohl strukturelle als auch funktionelle Veränderungen aufzeigen.
Einführung in die MRT bei neurodegenerativen Erkrankungen
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein bildgebendes Verfahren, das in der Radiologie eingesetzt wird, um hochaufgelöste Darstellungen von Weichgewebe zu erzeugen. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Diagnose und Überwachung neurodegenerativer Erkrankungen wie Demenz und Parkinson. Die MRT nutzt starke Magnetfelder und Radiowellen, um die Wasserstoffprotonen im Gewebe anzuregen und die ausgesandten Signale auszuwerten. Dieses Verfahren ermöglicht es, Pathologien im Gehirn sichtbar zu machen und Veränderungen in der Anatomie sowie funktionelle Rückstände und Diffusionsveränderungen zu erkennen.
Strukturelle Bildgebung: Anatomische Veränderungen im Fokus
Die strukturelle Bildgebung mittels MRT konzentriert sich auf die anatomische Darstellung des Gehirns, um Veränderungen zu erkennen, die durch neurodegenerative Erkrankungen hervorgerufen werden. Sie ist ein essenzieller Bestandteil der Diagnostik und erlaubt eine objektive Beurteilung pathologischer Muster. Die Radiologie wendet Untersuchungsmethoden an, mit denen sich beispielsweise die pathologischen Volumenänderungen bestimmter Gehirnregionen präzise darstellen und beurteilen lassen. Die Volumetrie kann entweder als Voxel-basierte Morphometrie (VBM) oder als Region-of-Interest-Analyse (ROI) durchgeführt werden.
Beispiele für die Anwendung volumetrischer Analysen
- Alzheimer (AD): Hippocampus-Volumetrie (Verlust von Hippocampus-Volumen als früher Marker für AD und deren Fortschreiten) oder Messung im Bereich des medialen Temporallappens (Volumenminderung im entorhinalen Kortex und Parahippocampus).
- Frontotemporale Demenz (FTD): Volumenabnahme in den frontalen und vorderen Schläfenregionen, wobei ein Zusammenhang zwischen der Volumenveränderung und den klinischen Symptomen besteht.
- Amyotrophe Lateralsklerose (ALS): Verminderung des Volumens (Atrophie) im primären Motorkortex und dem Tractus corticospinalis (CST).
Mittels der MRT-Scans sucht die Radiologie nach den spezifischen Atrophiemustern für die verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen.
Funktionelle Bildgebung: Aktivität des Gehirns sichtbar machen
Mithilfe der funktionellen MRT-Bildgebung lässt sich die Aktivität des Gehirns sichtbar machen. Auf diese Weise kann die Medizin krankheitsspezifische Veränderungen innerhalb der neuronalen Netzwerke erkennen und analysieren.
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Funktionelle MRT (fMRT)
Dank der funktionellen MRT ist es möglich, Veränderungen des Blutflusses im Gehirn über das BOLD-Signal (Blood Oxygenation Level Dependent) zu erkennen. Die Methode wird bei verschiedenen Erkrankungen im Einsatz, wie:
- Alzheimer (Untersuchung gestörter funktioneller Netzwerke)
- Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)
- Frontotemporale Demenz (FTD)
Medizinische Studien haben zudem für die zervikale Myelopathie eine Relevanz der Resting-State-fMRT (RS-fMRT, Untersuchung bei geringer Gehirnaktivität) für die Diagnose erkennen lassen.
Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI)
Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) ist eine spezielle Form der diffusionsgewichteten MRT und bestimmt die Diffusion von Wassermolekülen im Gewebe. Mit deren Hilfe lassen sich detaillierte Informationen zur Integrität der weißen Substanz gewinnen.
MRT bei spezifischen neurodegenerativen Erkrankungen
Die MRT stellt charakteristische morphologische und funktionelle Veränderungen bei neurodegenerativen Erkrankungen dar. Damit erlaubt sie nicht nur eine Identifizierung, sondern - zumindest teilweise - sogar eine Beurteilung des Stadiums. Die Befunde sind daher entscheidend für die Diagnostik und die Auswahl eines passenden Therapieverfahrens.
Einsatz bei Alzheimer-Krankheit
Als neurodegenerative Erkrankung wirkt sich Alzheimer auf die Gedächtnisleistung aus. Da diese im Hippocampus angesiedelt ist, ist die Erkrankung an einer Atrophie des Hippocampus erkennbar. Die MRT-Untersuchung kann eine Verdachtsdiagnose nicht nur bestätigen, sie hat auch differentialdiagnostisch viel Gewicht. Neben dem Vorteil, die Schrumpfung des betroffenen Areals zu erkennen, ist dank der MRT-Befunde auch eine Prognose bezüglich der Alzheimer-Erkrankung möglich. Bei leichten kognitiven Beschwerden liegt die Vorhersagegenauigkeit inzwischen bei mehr als zwei Dritteln. Ein wichtiger Ansatz ist die Verwendung der FLAIR-Sequenz (Fluid Attenuated Inversion Recovery), mit deren Hilfe sich Alzheimer und Demenz unterscheiden lassen. Bei einer Demenz, die aufgrund von Durchblutungsstörungen entsteht, sind hypertoniebedingte Veränderungen in dieser Sequenz zu erkennen. Eine mediale Temporallappen-Atrophie im Bereich Hippocampus, entorhinaler Kortex oder Amygdala spricht für M. Alzheimer.
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Parkinson
Bei Parkinson kommt es zu Degenerationen im Bereich der Substantia nigra (SN). Zudem sind Veränderungen im Eisengehalt in den untersuchten Regionen zu erkennen. Mit hohen Feldstärken und T2-gewichteten MRT-Bildern lassen sich die relevanten Hirnareale auflösen. Zudem sind nigrosomale Signalverluste (Nigrosome sind kleine Cluster dopaminerger Zellen) bei Parkinson zu erkennen. Die neurodegenerativen Prozesse betreffen die dopaminergen Neuronen, was über alle Nigrosome (1 bis 5) zu beobachten ist, aber besonders deutlich im Nigrosom-1-Bereich wird. Mit der Diffusions-Tensor-Bildgebung lassen sich weitere Veränderungen erkennen, die unter anderem den Corpus callosum und Frontallappen sowie die SN betreffen.
Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)
Bei einer ALS zeigen MRT-Bilder verschiedene Auffälligkeiten. Diese können einerseits direkt über volumetrische Analysen in den für die Motorik zuständigen Arealen identifiziert werden, andererseits auch als Diffusionsstörungen im corticospinalen Trakt (CST) in den diffusionsgewichteten MRT-Aufnahmen. Zudem lassen sich in den Gehirnwindungen Atrophien (Gewebeverluste) sowie Hypointensitäten (motor dark line, Bereich mit niedriger Intensität) in T2-gewichteten Aufnahmen nachweisen.
Frontotemporale Demenz
Im Rahmen einer frontotemporalen Demenz lassen sich in der MRT fokale Schrumpfungen im Bereich des Frontal- und Temporallappens (Stirn- und Schläfenlappen) erkennen. Diese Atrophien treten auch asymmetrisch (unter anderem bei sprachdominanten Formen) auf und werden von papierdünnen Gyri (Gehirnwindungen) begleitet. Zu Beginn der Erkrankung können in den Aufnahmen die Krankheitszeichen schwer zu entdecken sein. Allerdings nehmen die Atrophien später deutlich zu und werden klarer sichtbar. Hinsichtlich der Lokalisation kann bereits eine erste Einordnung der Demenzform vorgenommen werden. Bei frontotemporaler Demenz sind auch die Frontallappen betroffen.
Fortschritte in der MRT-Technologie und Bildauswertung
Mit der Verbesserung der MRT erreicht die Radiologie eine zunehmend bessere Auflösung bei der Bildgebung und kann Strukturen immer feiner darstellen. Damit werden anatomische Anomalien sichtbar, die bisher in den Aufnahmen nicht klar zu erkennen waren, unter anderem durch den Einsatz von Hochfeld-MRT-Techniken. Aber auch die Kombination verschiedener Methoden im Rahmen einer multimodalen Bildgebung und der Einsatz neuer Auswertungstechniken - Stichwort künstliche Intelligenz (KI) in der Radiologie - verbessern die Qualität der Ergebnisse.
Hochfeld-MRT-Techniken
Der Einsatz von Hochfeld-MRT-Techniken hat für die Darstellung und Auswertung der Aufnahmen im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen gleich mehrere Vorteile. Da die Auflösung mit der Feldstärke korreliert, führt eine Anpassung der Feldstärke zu einer verbesserten räumlichen Auflösung. Dadurch wird eine deutlich feinere Darstellung der Gehirnstrukturen ermöglicht, was die frühzeitige Erkennung von Pathologien begünstigt. Von einer verbesserten Auflösung verspricht sich die Radiologie die Möglichkeit, verschiedene Proteinstrukturen und Einlagerungen zu identifizieren, um Erkrankungen des neurodegenerativen Spektrums noch früher zu erkennen. Parallel bietet dieser Aspekt auch differentialdiagnostische Vorteile, da er hilft, verschiedene Diagnosen besser voneinander abzugrenzen.
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Multimodale Bildgebung
Eine wichtiger Schritt in der Diagnose neurodegenerativer Erkrankung ist der Einsatz multimodaler Bildgebungsverfahren. Hierbei werden parallel zur MRT weitere Methoden wie die Computertomographie (CT) oder die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt. Diese sind in der Lage, Veränderungen beispielsweise über die Darstellung des Stoffwechsels zu identifizieren. Damit kann nicht nur eine Optimierung der Untersuchungszeit erreicht werden. Die Radiologie und Nuklearmedizin sind auf diese Weise in der Lage, Gewebeunterschiede noch besser herauszuarbeiten und die Diagnose zu untermauern. Mit gewöhnlichen PET- und SPECT-Verfahren, die den Glukose-Metabolismus oder die zerebrale Perfusion abbilden, würden Sensitivitäten und Spezifitäten für eine Alzheimer-Demenz im Bereich von 80 bis 90 Prozent erreicht. Noch genauer bei Abgrenzungsschwierigkeiten sind spezifische nuklearmedizinische Marker: Radioaktives Pittsburg-B (11C-PIB) macht Beta-Amyloid-Ablagerungen sichtbar, wie sie für Alzheimer typisch sind. Eine SPECT-Untersuchung mit radioaktivem 123I-Ioflupan (FP-CIT) weist dagegen einen Dopamintransporter-Mangel nach, wie er bei Lewy-Körper-Demenz auftritt.
KI und Machine Learning in der MRT-Analyse
KI wird auch in der Medizin zunehmend wichtiger. Im Rahmen der Diagnose neurodegenerativer Erkrankungen übernimmt KI natürlich immer noch keine Verantwortung hinsichtlich der Diagnosestellung. Die datengestützte Erfassung der MRT-Aufnahmen bietet aber beispielsweise in der Verlaufskontrolle Potenzial, um Veränderungen schneller zu erkennen. Durch das Erkennen pathologischer Muster und die Abgrenzung spezifischer Gehirnstrukturen kann KI die Erkrankungen schnell erfassen.
Frühzeitige Erkennung und Verlaufskontrolle durch MRT
Die MRT ist für die Diagnostik und Bewertung neurodegenerativer Erkrankungen inzwischen von großem Wert. Viele Erkrankungen beginnen schleichend und ohne eine klar erkennbare Symptomatik. Bei vielen Patienten verläuft dieses Prodromalstadium komplett unauffällig. Treten erste Krankheitszeichen in Erscheinung, haben auf neuronaler Ebene bereits deutliche Veränderungen stattgefunden. Dank hochauflösender MRT-Aufnahmen und der Volumenvermessung lassen sich frühzeitig altersuntypische Abbauprozesse erkennen und geeignete Maßnahmen einleiten. Darüber hinaus stellt die MRT-Untersuchung ihren Wert regelmäßig im Hinblick auf Verlaufskontrolle und Therapiemonitoring unter Beweis. Mit ihr lassen sich Krankheitsaktivität und Therapieeffektivität regelmäßig überprüfen. Vor dem Hintergrund, dass mit den MRT-Scans verschiedene Biomarker für neurodegenerative Erkrankungen in der prodromalen Phase erkannt werden können, haben die Untersuchungen ebenfalls einen prädiktiven Wert.
Die Rolle der Biomarker in der MRT-Diagnostik
Die Demenzdiagnostik profitiert eindeutig von der Präzision der Bestimmung pathologischer Marker in Liquor und Bildgebung. Allerdings hängt der Grad der Aussagekraft vom Stadium der Erkrankung ab. Dabei könnte auch die sogenannte „kognitive Reserve“ des Einzelnen eine Rolle spielen. Die Messwerte (aus dem Liquor oder die funktionellen bzw. morphologischen Bilder vom Gehirn) Marker für zwei Arten von Hirnveränderungen liefern: für die Neurodegeneration/Tau-Pathologie und auch für die Amyloidaggregation. Beide gelten als charakteristisch für die Alzheimer-Krankheit und sichern je nach Stadium (präklinisch, MCI, manifeste Demenz) mit unterschiedlicher Präzision die Diagnose.
Amyloid-PET als ergänzende Methode
Amyloid-Plaques in vivo können mittels Amyloid-PET-Aufnahmen sichtbar gemacht werden. Diese Aufnahmen werden mit dem zugehörigen MRT überlagert, um eine umfassende Beurteilung zu ermöglichen. Eine massive Traceranreicherung in der Hirnrinde deutet auf einen pathologischen Befund hin, der auf eine Alzheimer-Krankheit schließen lässt.
MCI-Prognose mittels Biomarker
Für ein MCI-Stadium ist charakteristisch, dass sich zwar objektivierbar Verschlechterungen der Gedächtnisfunktion nachweisen lassen. Im Gegensatz zum Vollbild einer Demenz ist jedoch die Alltagskompetenz noch erhalten, die Betroffenen sind nach wie vor in der Lage, selbstständig zu leben. Lassen sich bei einer (im neuropsychologischen Test) bestätigten MCI mithilfe der Biomarker weder Anzeichen einer Neurodegeneration/Tau-Pathologie noch Hinweise auf Amyloid-Aggregation ausmachen, so liegt das Risiko, in den kommenden 5 Jahren dement zu werden, bei nur 10 %. Sind diese indes für beide pathologischen Gruppen vorhanden, so beträgt es 90 %. Gibt es lediglich Hinweise auf das eine oder andere - Amyloid-Aggregation ohne Neurodegeneration/Tau-Pathologie (bzw. vice versa), so ist die Vorhersage weniger exakt. Das Risiko liegt dann vermutlich bei rund 50 %. Dies zeigt, dass eine individuelle Risikoabschätzung mithilfe von Biomarkern im Stadium der MCI gut gelingt.
Biomarker bei Gesunden nicht indiziert
Für ganz entscheidend hält Barthel die richtige Indikation für die Biomarker-Bestimmung: „Nur wenn neuropsychologische Tests kognitive Einbußen bestätigen, sind zum Beispiel Amyloid-PET-Bilder indiziert. Bei Gesunden sind diese Untersuchungen nicht gerechtfertigt“, betont Barthel. So stünde es auch eindeutig in der Leitlinie, die er als federführender Autor mitveröffentlicht hat. Dementsprechend eindeutig lauten die Empfehlungen der Bundesärztekammer (BÄK) zur prädiktiven Alzheimer-Testung: Für Personen ohne Symptome seien prädiktive Tests (ob genetische, liquorbasierte oder aus der Bildgebung) „nicht zu empfehlen“.
Risikofaktoren und Prävention: Was die MRT zeigen kann
Unbemerkte Läsionen im Gehirn sind eine häufige Ursache für Demenzen und können im MRT nachgewiesen werden. Die Gehirne der Betroffenen verarbeiten Informationen oft langsamer. Bluthochdruck und ein hoher Body-Mass-Index (BMI) sind die stärksten Risikofaktoren für die Entstehung von Läsionen. Da diese Läsionen schon ab dem vierzigsten Lebensjahr sichtbar werden können, könnte man hier präventiv mehr tun.
Geschlechtsspezifische Unterschiede
Nach der Menopause ist bei Frauen das Ausmaß bestimmter Hirnschäden größer als bei gleichaltrigen Männern. Diese Gewebeschäden gelten als mögliche Risikofaktoren für Demenz und Schlaganfall. Insbesondere bei älteren Erwachsenen sind auf Aufnahmen des Gehirns, die per Magnetresonanztomografie (MRT) erstellt wurden, helle Flecken zu erkennen. Diese Flecken weisen auf Auffälligkeiten in der sogenannten weißen Hirnsubstanz hin.
Forschungsperspektiven und zukünftige Entwicklungen
Die Forschung konzentriert sich darauf, bereits lange vor dem Auftreten erster Gedächtnisstörungen eine gesicherte Diagnose stellen zu können. Wissenschaftler verfolgen verschiedene Ansätze, die letztlich alle eine frühere Diagnose neurodegenerativer Erkrankungen ermöglichen sollen. Dabei arbeitet das neue Deutsche Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) mit Universitäten und Universitätskliniken an verschiedenen Standorten zusammen. Die Wissenschaftler konzentrieren sich besonders auf molekulare und neurochemische Veränderungen, die bei einer Demenzerkrankung im Gehirn ablaufen - und zwar lange bevor strukturelle Veränderungen nachweisbar sind. Zur Messung der Biomarker sollen unter anderem neueste bildgebende Verfahren verwendet werden, die eine höhere Auflösung der Gehirnstruktur als bisherige Verfahren liefern und zusätzliche Informationen über den Stoffwechsel im Gehirn geben. Das sind die Hochfeld-7-Tesla-Magnetresonanztomographie und die Positronen- Emissions-Tomographie (PET). Gleichzeitig wollen sie die hochmodernen bildgebenden Verfahren nutzen, um strukturelle Veränderungen im Gehirn zukünftig zuverlässiger diagnostizieren zu können.
Frühe Hirnveränderungen bei Alzheimer
Den Simulationen zufolge treten die ersten deutlichen Abweichungen bereits vor dem 40. Lebensjahr auf. Demnach zeigt sich der Hirnschwund wahrscheinlich zuerst im Hippocampus. Um das 40. Lebensjahr herum beginnt auch das Volumen der Amygdala im kranken Gehirn deutlich vom dem im gesunden abzuweichen, wie das Team berichtet: Dieser Hirnbereich schrumpft ebenso wie der Hippocampus.