Grundlagen der funktionellen Bildgebung des Gehirns mit der Positronen-Emissions-Tomographie

B. J. Krause

doi:10.1055/s-0038-1629945

Nervenheilkunde, Table of Contents

Nervenheilkunde 2005; 24(02): 73-80
DOI: 10.1055/s-0038-1629945

Original Article

Schattauer GmbH

Grundlagen der funktionellen Bildgebung des Gehirns mit der Positronen-Emissions-Tomographie

Fundamentals of functional neuroimaging with positron emission tomography

B. J. Krause

¹Abteilung Nuklearmedizin, Radiologie III, Universitätsklinikum Ulm (Leiter: Prof. Dr. S. N. Reske)

› Author Affiliations

Abstract

Zusammenfassung

Funktionell bildgebende Verfahren – insbesondere die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) – haben unsere Kenntnis über die Funktionsweise des Gehirns auf molekularer und systemischer Ebene erweitert. Die PET basiert auf der Aufzeichnung und computergestützten Auswertung des Zerfalls kleinster Mengen mit Positronenstrahlern radioaktiv markierter Substanzen (Radiotracer). Mit spezifischen Radiotracern können z.B. regionaler Blutfluss, Stoffwechselvorgänge oder Neurotransmitter-Rezeptorsysteme sichtbar gemacht werden. Neben einer qualitativen Darstellung ist unter bestimmten Voraussetzungen mittels mathematischer Modelle eine Quantifizierung der o.g. Vorgänge möglich. PET-Untersuchungen des regionalen zerebralen Blutflusses eröffnen Einblicke in die Abläufe höherer Gehirnfunktionen (z.B. Gedächtnis, Sprache, Aufmerksamkeit) bei Gesunden oder hirnerkrankten Patienten. Klinisch etabliert ist die PET-Untersuchung des Gehirns mit Fluor-18-markierter Deoxyglukose (FDG) bei neurodegenerativen Erkrankungen, Epilepsien oder Erkrankungen des psychiatrischen Formenkreises. Bei diesen Erkrankungen lassen sich typischerweise Frühveränderungen mit der PET nachweisen. Aktuelle Bestrebungen der PET-Forschung zielen u.a. auf die In-vivo-Darstellung und Quantifizierung der Plaques (β-Amyloid) im Gehirn von Alzheimer-Erkrankten ab, mit wichtigen Implikationen für die Früherkennung oder die Entwicklung und Testung neuer Medikamente.

Summary

Functional neuroimaging techniques – in particular positron emission tomography (PET) – have been providing new insights in our understanding of brain function from the molecular up to the systems level. PET is based on the acquisition and computer-aided analysis of the radioactive decay of positron emitters that are labelled to specific molecular probes (tracers). PET allows the in vivo quantitative imaging with radiotracers of regional blood flow, metabolism or for example receptor binding in different neurotransmitter systems. PET studies of regional cerebral blood flow during the execution of higher cognitive functions (i.e. memory, speech, attention) have shed light on patterns of interactions of specialised brain regions and on a systems level in normal volunteers as well as patients. PET has a clinical impact in the diagnosis and differential diagnosis of neurodegenerative disorders, epilepsy as well as psychiatric diseases. More recent developments include the development of tracers for the in-vivo assessment and quantitation of β-amyloid-plaques in patients suffering from Alzheimer’s disease with important clinical implications within the framework of drug development and therapy monitoring.

Schlüsselwörter

Positronen-Emissions-Tomographie (PET) - funktionelle Bildgebung - Gehirn

Keywords

PET - functional neuroimaging - brain

Full Text

References

Literatur
1 Agdeppa ED, Kepe V, Liu J, Small GW, Huang S-C, Petric A, Satyamurthy N, Barrio JR. 2-Dialkylamino-6-Acylmalononitrile substituted naphthalenes (DDNP analogs): Novel diagnostic and therapeutic tools in Alzheimer’s disease. Mol Imag Biol 2003; 5: 404-17.
2 Bartenstein P, Asenbaum S, Catafau A, Halldin C, Pilowski L, Pupi A, Tatsch K. European Association of Nuclear Medicine. European Association of Nuclear Medicine procedure guidelines for brain imaging using [(18)F]FDG. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2002; 29: BP43-8.
3 Fox PT, Raichle ME. Stimulus rate dependence of regional cerebral blood flow in human striate cortex, demonstrated by positron emission tomography. J Neurophysiol 1984; 51: 1109-20.
4 Friston KJ, Frith CD, Liddle PF, Frackowiak RSJ. Functional connectivity: The principalcomponent analysis of large (PET) data sets. J Cereb Blood Flow Metab 1993; 13: 5-14.
5 Friston KJ, Ashburner J, Frith CD, Poline J-B, Heather JD, Frackowiak RSJ. Spatial registration and normalization of images. Human Brain Mapp 1995; 2: 165-89.
6 Gjedde A. Compartmental Analysis. In: Wagner Jr HN, Szabo Z, Buchanan JW. (eds). Principles of Nuclear Medicine. 2nd edition. Philadelphia: WB Saunder Comp.; 1995: 451-61.
7 Glatting G, Mottaghy FM, Karitzky J, Baune A, Sommer FT, Landwehrmeyer GB, Reske SN. Improving binding potential analysis in [11C]raclopride PET studies using cluster analysis. Med Phys 2004; 31: 902-6.
8 Hautzel H, Mottaghy FM, Schmidt D, Müller HW, Krause BJ. Neurokognition und PET: datenanalytische Strategien bei Aktivierungsstudien zum Arbeitsgedächtnis. Nuklearmedizin 2003; 42: 197-209.
9 Herholz K, Salmon E, Perani D, Baron JC, Holthoff V, Frolich L, Schonknecht P, Ito K, Mielke R, Kalbe E, Zundorf G, Delbeuck X, Pelati O, Anchisi D, Fazio F, Kerrouche N, Desgranges B, Eustache F, Beuthien-Baumann B, Menzel C, Schroder J, Kato T, Arahata Y, Henze M, Heiss WD. Discrimination between Alzheimer dementia and controls by automated analysis of multicenter FDG PET. Neuroimage 2002; 17: 302-16.
10 Herzog H, Seitz RJ, Tellmann L, Rota Kops E, Jülicher F, Schlaug G, Kleinschmidt A, Müller-Gärtner HW. Quantitation of Regional Cerebral Blood Flow with ¹⁵O-Butanol and Positron Emission Tomography in Humans. J Cereb Blood Flow Metab 1996; 16: 645-9.
11 Horwitz B. Data analysis paradigms for metabolic-flow data: Combining neural modeling and functional neuroimaging. Human Brain Mapp 1994; a 2: 112-22.
12 Horwitz B, Sporns O. Neural modeling and functional neuroimaging. Human Brain Mapp 1994; b 1: 269-83.
13 Klunk WE, Wang Y, Huang G-F, Debnath ML, Holt DP, Mathis CA. Uncharged thioflavin-T derivates bind to amyloid-beta protein with high affinity and readily enter the brain. Life Sciences 2001; 69: 1471-84.
14 Klunk WE, Engler H, Nordberg A, Wang Y, Blomquist G, Holt DP, Bergström M, Savitchewa I, Huang G-F, Estrada S, Ausen B, Debnath ML, Barletta J, Price JC, Sandell J, Lopresti BJ, Wall A, Koivisto P, Antoni G, Methis CA, Langström B. Imaging brain amyloid in Alzheimer’s disease with Pittburgh Compound-B. Ann Neurol 2004; 55: 306-19.
15 Krause BJ, Müller-Gärtner H-W. (Hrsg). Bildgebung des Gehirns und Kognition. Landsberg: ecomed Verlag; 2003
16 Krause BJ, Taylor JG, Schmidt D, Hautzel H, Mottaghy FM, Müller-Gärtner HW. Imaging and Neural Modelling in Episodic and Working Memory Processes. Neural Networks 2000; 13: 847-60.
17 Kuwert T, Bartenstein P, Grünwald F, Herholz K, Larisch R, Sabri O, Biersack HJ, Moser E, Müller-Gärtner HW, Schober O, Schwaiger M, Büll U, Heiss WD. Klinische Wertigkeit der Positronen-Emissions-Tomographie in der Neuromedizin. Positionspapier zu den Ergebnissen einer interdisziplinären Konsensuskonferenz. Nervenheilkunde 1998; 69: 1045-60.
18 Mathis CA, Wang Y, Holt DP, Huang G-F, Debnath ML, Klunk WE. Synthesis and Evaluation of C-11-labeled 6-substituted 2-arylbenzothiazoles as amyloid imaging agents. J Med Chem 2003; 46: 2740-54.
19 Meyer PT, Sturz L, Schreckenberger M, Spetzger U, Meyer GF, Setani KS, Sabri O, Buell U. Preoperative mapping of cortical language areas in adult brain tumour patients using PET and individual non-normalised SPM analyses. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2003; 30: 951-60.
20 Mottaghy FM, Krause BJ. Funktionelle Bildgebung mit der PET und SPECT: Methodik und Datenanalytik. In: Walter H. Funktionelle Bildgebung in Psychiatrie und Psychotherapie – Methodische Grundlagen und klinische Anwendungen. Stuttgart: Schattauer Verlag; 2004: 3-21.
21 Nordberg A. PET Imaging of amyloid in Alzheimer’s disease. Lancet Neurology 2004; 3: 519-27.
22 Patlak CS, Blasberg RG, Fenstermacher JD. Graphical evaluation of blood-to-brain transfer constants from multiple-time uptake data. J Cereb Blood Flow Metab 1983; 3: 1-7.
23 Phelps ME, Kuhl DE, Mazziotta JC. Metabolic imaging of brain´s response to visual stimulation studies in humans. Science 1981; 211: 1445-8.
24 Roy CS, Sherrington CS. On the regulation of the blood supply of the brain. J Physiol (Lond) 1890; 11: 85-105.
25 Schreckenberger M, Spetzger U, Sabri O, Meyer P, Zeggel T, Kaiser H-J, Gilsbach J, Büll U. Aktivierungs-PET zur präoperativen Diagnostik intrakranieller Tumoren. In: Krause BJ, Müller-Gärtner H-W. (Hrsg). Bildgebung des Gehirns und Kognition. Landsberg: ecomed Verlag; 2003
26 Talairach J, Tournoux P. Co-Planar Stereotaxic Atlas of the Human Brain. New York: Thieme Medical Publishers Inc; 1988
27 Woods RP, Cherry SR, Mazziotta JC. Rapid automated algorithm for aligning and reslicing PET images. J Comput Assist Tomogr 1992; 16: 620-33.
28 Zeki S. Functional specialization in the visual cortex: The generation of separate constructs and their multistage integration. In: Edelman GM, Gall WE, Cowan WM. (Hrsg). Signal and Sense. New York: Wiley-Liss; 1990: 85-130.