Darstellung des kortikalen motorischen Handareals mittels funktioneller Magnetresonanztomographie unter Anwendung eines künstlichen neuronalen Netzes

Ziel: In der vorliegenden Studie untersuchten wir fMRT-Datensätze
des kortikalen motorischen Handareals gesunder Probanden mittels
künstlicher neuronaler Netze. Ziel war es, eine feinere
Unterscheidung der Signalzeitreihen zu erreichen, als dies mit
derzeit etablierten Methoden möglich ist. Einleitung: In einem
kurzen Überblick wurden die wichtigsten Methoden und Erkenntnisse
der Erforschung funktioneller Gehirnzentren dargestellt. Daneben
wurde auf die Mustererkennung mittels neuronaler Netze und deren
Einsatzmöglichkeiten eingegangen. Methode: Zunächst wurden die
methodischen Grundlagen, auf denen die funktionelle MRT beruht, mit
ihren technisch-physikalischen und physiologischen Zusammenhängen
vorgestellt. Im speziellen Methodikteil wurde das untersuchte
Kollektiv (24 gesunde Personen), das Messprotokoll und der
Versuchsaufbau beschrieben. Die funktionellen Messungen wurden an
einem 1,5 Tesla-Magnetresonanz-tomographen mit einer
T2*-gewichteten Echo-Planar-Sequenz durchgeführt. Als Paradigma
wurden Fingerbewegungen jeweils der rechten oder linken Hand mit
maximalem Druck bzw. mit maximaler Frequenz gewählt. Bei allen
fMRT-Messungen wurden Kraft und Geschwindigkeit der
Fingerbewegungen mit hydraulischen Druckaufnehmern aufgezeichnet.
Die Auswertetechnik wurde in einem eigenen Kapitel beschrieben, das
sich mit den Verfahren zur Nachverarbeitung der gewonnenen
Schnittbildserien auseinander setzte: Hierbei wurde die
Korrelationsanalyse als ein etabliertes Auswerteverfahren
beschrieben und das Prinzip der Mustererkennung durch Neuronale
Netze dargestellt. Als spezielles Verfahren zur Clusteranalyse
wurde die minimal free energy Vektorquantisierung erklärt.
Schließlich wurde der von uns verwendete kombinierte Ansatz einer
Vorselektion der Zeitreihen durch Korrelationsanalyse, gefolgt von
der Vektorquantisierung der über einem definierten Schwellwert
liegenden Pixel vorgestellt. Ergebnisse: Zunächst wurden die
Resultate der Korrelationsanalyse mit den Ergebnissen der
Vektorquantisierung verglichen. Dabei zeigte sich, daß mittels
Vektorquantisierung die zerebralen Aktivierungen des Motorkortex in
kortikale und vaskuläre Anteile subdifferenziert werden konnten.
Zudem ließen sich Artefakte, die durch Kopfbewegungen verursacht
wurden, erkennen und eliminieren. Außerdem konnte nachgewiesen
werden, daß durch die ausschließliche Verwendung der
Korrelationsanalyse eine systematische Überbetonung der vaskulären
Signalveränderungen erfolgt. Schließlich wurden die Probanden auf
die kortikalen Aktivierungen in der Zentralregion, der
Postzentralregion, der Präzentralregion und der supplementären
Motorregion (SMA) hin untersucht. Dabei wurden Unterschiede
hinsichtlich der Händigkeit und der motorischen Fertigkeiten der
Probanden herausgearbeitet. Hier fand sich vor allem in der
Präzentralregion ein Unterschied zwischen Rechts- und Linkshändern,
wobei Rechtshänder nur bei Bewegung der linken Hand eine verstärkte
Aktivierung der kontralateralen rechten Präzentralregion zeigten,
während Linkshänder bei allen Aufgaben (mit rechter und linker
Hand) eine verstärkte Aktivierung der rechten Präzentralregion
aufwiesen. Für Aufgaben mit starkem Druck waren die aktivierten
Areale in allen ausgewerteten Hirnregionen umso ausgedehnter, je
geübter die Probanden waren. Bei Aufgaben mit hoher Frequenz fand
sich nur in der supplementären Motorregion eine Ausweitung der
Aktivierung mit zunehmenden motorischen Fertigkeiten der Probanden.
Schlußfolgerung: Die Anwendung künstlicher Neuronaler Netze auf
fMRT-Datensätze ist eine vielversprechende Methode, mit der die
Aussagekraft bezüglich Lokalisation und Ausdehnung kortikaler
Aktivierungen verbessert werden kann.