Nachweis zentral-auditiver Kompensationsvorgänge bei einseitiger Ertaubung mit funktioneller Magnetresonanztomographie

Zusammenfassung

Hintergrund: Die funktionelle Magnettomographie (fMRI) ist eine nicht-invasive Methode, um lokale Hirnaktivität mit einem hohen räumlichen Auflösungsvermögen nachzuweisen. Akustische Stimulation führt zu einer Zunahme der Durchblutung im Gyrus temporalis superior. Die dadurch entstehende Anreicherung von Oxyhämoglobin kann mit T₂*-gewichteten MRI-Bildern dargestellt werden. Mit fMRI konnte bei normalhörenden Probanden gezeigt werden, dass die zentralen Hörbahnen zu einem überwiegenden Anteil zum kontralateralen temporalen Kortex kreuzen. In der vorliegenden Arbeit wird die Hirnaktivität im Gyrus temporalis superior bei einseitig Ertaubten untersucht. Methode: 14 einseitig ertaubte Patienten wurden mit fMRI untersucht. Die Ertaubung lag im Durchschnitt 22 Jahre zurück. Die akustische Stimulation erfolgte mit gepulsten 1000 Hz-Tönen bei 100 dB SPL, und zwar jeweils monaural links und rechts in balancierter Reihenfolge. Die Untersuchungen erfolgten mit einem 1.5 T Siemens Vision Scanner unter Verwendung der EPI (echo planar imaging) Aufnahmetechnik. Die Bilddaten wurden mit dem Softwarepaket SPM96 ausgewertet. Zur Unterscheidung von aktivierten und nicht-aktivierten Pixeln wurde eine Signifikanzschwelle von p < 0,01 verwendet. Die Anzahl aktivierter Pixel stellt ein Maß für die Änderung der fokalen Hirndurchblutung dar. Ergebnisse: Bei allen Patienten konnte mit fMRI nach Stimulation des hörenden Ohres eine signifikante Zunahme der T₂*-gewichteten Signalintensität im Gyrus temporalis superior nachgewiesen werden. Es bestanden jedoch große individuelle Unterschiede in der Größe des aktivierten Areals. Die Lateralisationsratio wurde durch das Verhältnis der aktivierten Pixel zwischen der hörenden und ertaubten Seite ausgedrückt. Die mittlere Lateralisationsratio betrug 0,9 (Stdv. ± 0,6). Bei rechtseitiger Ertaubung (n = 8) fand sich eine nahezu ausgeglichene Aktivierung in beiden Hörrinden (Lateralisationsratio 1,1 ± 0,7), während bei linksseitiger Ertaubung eine Tendenz zu einer geringeren ipsilateralen kompensatorischen Aktivität in der rechten Hörrinde bestand (Lateralisationsratio 0,6 ± 0,3). Der Unterschied war allerdings nicht signifikant (Wilcoxon-Test: p = 0,08). Schlussfolgerung: Bei einseitiger Ertaubung konnten zentral-auditive Kompensationsvorgänge nachgewiesen werden. Die akustische Stimulation des hörenden Ohres führte zu einer bilateralen Aktivierung der temporalen Hirnrinde, welche vergleichbar ist mit einer binauralen akustischen Stimulation bei Normalhörenden.

Evidence of Central-Auditory Compensation in Unilateral Deafpatients Detected by Functional MRI

Background: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a noninvasive method to detect focal brain activity at high spatial resolution. Acoustic stimulation induces an increase of regional cerebral blood flow in the primary auditory cortex. This entails an increased concentration of diamagnetic oxyhemoglobin in the capillaries and the venous system. The resulting decrease of the local magnetic susceptibility was detected as a signal increase in T₂*-weighted images. The central auditory pathways predominantly cross to the contralateral hemisphere in normally hearing subjects. The aim of the present study was to investigate the primary auditory cortex after acoustic stimulation in unilateral deaf patients using fMRI. Methods: Magnetic resonance images were acquired on a 1.5 T Siemens Vision scanner. For fMRI, a single shot gradient recalled, echo planar imaging (EPI) sequence with decreasing excitation order was used, allowing the aquisition of 9 slices within 1.8 s. The 9 slices covered a slab of 3.6 cm in cranio-caudal extension in the region of the temporal lobes. For statistical processing of the raw image data the SPM96 software package was used. A p-value of p < 0.01 was applied to differentiate between activated and non-activated. The resulting functional activation maps were superimposed onto the EPI scan. The number of activated pixels was used to quantitate the cortical response upon acoustic stimulation. Stimulation consisted of a 1000-Hz sine tone (100 dB SPL at the distal end of the head phone, pulsed at 6 Hz) to which the patients were asked to listen passively. A piezoelectric loudspeaker was mounted on the subject table and connected to a plastic tube system leading to a combination of bilateral ear- and headphones. Auditory paradigms require disentangling experimental excitation from the scanner noise that approximates 90 dB. Headphones suppress noise by ∼ 30 dB. To decrease the acoustic background-to-stimulation ratio and to keep background noise constant during stimulation and resting, we employed short scanning (1.8 s) and long resting periods (10.2 s; TR = 12 s). This acquisition mode allows sufficient recovery during off-periods and sufficient excitation during on-periods. 14 unilateral deaf patients were examined. The mean duration of deafness was 22.5 years. Results: Acoustic stimulation of the deaf ear revealed only weak cortical activation which could be explained by sound transmission via bone conduction to the other ear. A significant increase of BOLD (blood oxygen level dependent)-activation in the primary auditory cortex could be demonstrated in all patients after stimulation of the hearing ear. However, remarkable individual differences were noticed concerning the absolute number of activated pixels. The lateralization ratio was calculated by the number of activated pixels on the hearing side divided by the number of activated pixels on the deaf side. A mean lateralization ratio of 0.9 (Stdv ± 0.6) was found. The mean lateralization ratio for patients with a right deaf ear (n = 8) and those with a left deaf ear (n = 5) was 1.1 (Stdv ± 0.7) and 0.6 (Stdv ± 0.3) respectively. However, the difference was not significant (Wilcoxon test: p = 0.08). Conclusions: Central-auditory compensation by bilateral cortical activation was demonstrated in unilateral deaf patients. Moreover, a tendency towards a dominance of the left primary auditory cortex was found, although the difference between both hemispheres was not significant. The lateralization ratio in unilateral deaf patients is similar to findings after binaural stimulation in normally hearing subjects.

Schlüsselwörter:

Zentrale Hörbahnen - Zentral-auditive Kompensationsvorgänge - Funktionelle Magnetresonanztomographie- Blood oxygenation level dependent (BOLD) signal changes - Echo planar imaging (EPI)

Key words:

Central-auditory pathways - Central-auditory compensation processes - Functional magnetic resonance imaging (fMRI) - Central-auditory blood oxygenation level dependent (BOLD) signal changes - Echo planar imaging (EPI)

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