Methoden der Bildgebung in der Psychologie und den kognitiven Neurowissenschaften

Lutz Jäncke, Herbert Heuer, Frank Rösler, Werner H. Tack

• Publisher: Kohlhammer
• Year: 2005
• Print ISBN: 9783170184695
• eBook ISBN: 9783170280021
• Edition: 1
• Topic: Psychology
• Subtopic: Cognitive Psychology & Cognition
• Index: Psychology

Seit Anfang der 1990er-Jahre haben sich die technischen Möglichkeiten enorm verbessert, das menschliche Gehirn zu untersuchen und dessen Strukturen und Aktivitäten zu messen. Heute gehören die verschiedenen Formen der Bildgebung u.a. Positronen-Emmissions-Tomographie, Magnetresonanztomographie, Magnetenzephalographie, Transkranielle Magnetstimulation zu den grundlegenden Methoden der Neurowissenschaften, insbesondere der Neuropsychologie, der Klinischen Psychologie, der Neurologie, der Neurobiologie und der Psychiatrie. Die mit den neuen Methoden verbundenen faszinierenden technischen Entwicklungen haben nicht nur zu einer neuen Wissenschaft, nämlich der kognitiven Neurowissenschaft, geführt, sondern auch neuen theoretischen Konzepten des menschlichen Verhaltens und Denkens zum Durchbruch verholfen. Dieses Lehrbuch führt Studierende und Lehrende behutsam in die komplexen Verfahren ein und gibt Psychologen, Neurologen und Psychiatern in Praxis sowie in Aus, Fort- und Weiterbildung darüber hinaus anwendungsorientierte Hilfestellungen und Anregungen.

1 Vorwort

Die neuen bildgebenden Verfahren sind ein gutes Beispiel für das ständige Wechselspiel zwischen technischer Grundlagenforschung, inhaltsbezogener Grundlagenforschung und der medizinischen Wissenschaft. Wie so häufig in der Wissenschaftsgeschichte haben Methoden die inhaltliche Weiterentwicklung von Disziplinen gefördert und sogar zum Durchbruch verholfen. Gelegentlich haben sie auch ganzen Disziplinen ein neues Antlitz verliehen. Eine ähnliche Bedeutung ist mit den modernen bildgebenden Verfahren verbunden. Der Erfolg dieser Methoden ist sicherlich durch die vielfältigen medizinischen Diagnosemöglichkeiten zu erklären, die mit der Anwendung dieser Verfahren verbunden sind. Anders als bei anderen medizinischen Geräteentwicklungen haben die bildgebenden Verfahren auch zur breiten inhaltlichen Weiterentwicklung der Psychologie und Medizin beigetragen. Durch diese neuen Methoden ist das menschliche Gehirn eigentlich erstmalig in der Geschichte der Psychologie deutlich in den Vordergrund getreten. Das neue Forschungsfeld der kognitiven Neurowissenschaften ist zwar interdisziplinär, aber insbesondere wegen der verwendeten Paradigmen sehr stark von der kognitiven Psychologie beeinflusst. Ohne ausgeklügelte experimentelle kognitive Paradigmen ist kein aussagekräftiges Experiment mit den bildgebenden Verfahren durchführbar. Neben dieser inhaltlichen Verschmelzung der kognitiven Psychologie mit den kognitiven Neurowissenschaften ist die Psychologie durch die neuen Befunde besonders herausgefordert. Viele psychologische Phänomene, die eigentlich gemäß der Skinner’schen Doktrin nicht untersuchbar sind, wie das Phänomen der mentalen Vorstellung, sind jetzt zentrale Gegenstände der kognitiven Neurowissenschaften. Nicht nur die kognitive Neurowissenschaft hat enorm von der Bildgebung profitiert, sondern auch die neue Forschungsrichtung der affektiven Neurowissenschaften. Gerade Befunde mittels bildgebender Verfahren haben die enge Beziehung zwischen Kognition und Affekt belegt.

Dieses Buch ist aufgrund des Bedürfnisses entstanden, Studenten der Psychologie, Medizin, Biologie und Informatik einen Überblick über die Methoden der bildgebenden Verfahren zu vermitteln. Es wurde deshalb bewusst darauf verzichtet, die physikalischen Hintergründe zu stark zu gewichten. Schwerpunkt war vielmehr, das Verständnis für die einzelnen Verfahren zu fördern, das Interesse an den einzelnen Methoden zu wecken und das Lesen der einschlägigen Literatur zu stimulieren. In dieses Buch fließen natürlich viele Erfahrungen ein, die ich in Zusammenarbeit mit Freunden, Kollegen und Mitarbeitern sammeln konnte. Viele müsste ich erwähnen, aber nur einige wenige kann ich aus Platzgründen namentlich nennen. Allen voran ist mein Freund und Kollege Prof. Helmuth Steinmetz zu erwähnen, der mir vor ca. 15 Jahren den Weg in die bildgebenden Verfahren ebnete. Mit ihm habe ich viele sehr spannende Momente beim Diskutieren und Schreiben von wissenschaftlichen Arbeiten erleben dürfen. Prof. Zilles hat in diesen Jahren mein Verständnis für die systemisch orientierte Neuroanatomie geprägt. Aus meiner Zeit am Kernforschungszentrum in Jülich möchte ich Herrn Prof. Müller-Gärtner, der mir damals die Arbeit an diesem interessanten Zentrum ermöglichte, erwähnen. Bis heute zehre ich noch von der Kooperation mit dem Kernspinphysiker PD. Dr. N. Jon Shah, der mir half, auditorische Experimente auf die Kernspinumgebung zu übertragen. Aus meiner Zeit in Magdeburg möchte ich insbesondere meine Mitarbeiter Torsten Wüstenberg, Dr. Kirsten Jordan und Dr. Toemme Noesselt erwähnen, die viel zur Weiterentwicklung meiner Kenntnisse hinsichtlich der bildgebenden Verfahren beigetragen haben. Einige Abbildungen aus Kapitel 3 entstammen einer Lehrveranstaltung, die ich mit meinen Magdeburger Mitarbeitern bestritten habe. Insbesondere Torsten Wüstenberg erwies sich dabei als kreativer und ästhetisch begabter „Konstrukteur“ von wissenschaftlichen Abbildungen. Insofern habe ich ihm einige Abbildungen zu verdanken. Dr. Kai Lutz betreut seit meinen Jülicher Zeiten meine Kernspinarbeiten und hat auch wesentlich an dem Kapitel zur Funktionellen Kernspintomographie mitgearbeitet. Aus meiner Züricher Arbeitsgruppe möchte ich insbesondere Frau Dr. Esslen und Dr. Pasqual-Marqui erwähnen, deren Diskussionsbeiträge mein Verständnis für die Elektroenzephalographie wesentlich erweitert haben. Nicht zu vergessen ist auch Prof. Dietrich Lehmann, der mich ebenfalls mit wertvollen Tipps bzgl. des EEGs versorgte. Besonders danken möchte ich auch Herrn PD Dr. Dominik Weishaupt, der insbesondere das Kapitel Magnetresonanztomographie aufmerksam und kritisch gelesen hat.

Abschließend bleibt nur zu hoffen, dass die Leser dieses Buch als Einführungsbuch in die bildgebenden Verfahren annehmen. Auch bitte ich eventuelle Fehler und selektive Betrachtungen zu entschuldigen. Natürlich ist dieses Buch sehr stark aus meiner persönlichen Erfahrung im Umgang mit den unterschiedlichen Methoden entstanden. Jeder mag eine eigene Sicht haben. Ich hoffe aber, dass ich zumindest den Blick der Mehrheit gestreift habe.

Zürich, im Oktober 2004

Prof. Dr. rer. nat. Lutz Jäncke

2 Einleitung

2.1 Was ist Bildgebung?

Der Begriff „Bildgebung“ bzw. „bildgebende Verfahren“ ist im Zusammenhang mit der medizinischen Diagnostik geprägt worden. Hierunter werden Verfahren zusammengefasst, die es erlauben, anatomische Strukturen des menschlichen Körpers möglichst präzise zu visualisieren. Hierbei werden je nach Methode jedem Punkt des Körpers Koordinaten (x, y, z) in einem dreidimensionalen System zugeordnet. Man bestimmt z. B. die Dichte eines bestimmten Gewebematerials an diesem Punkt durch ein Messverfahren und rekonstruiert aus der Beobachtung und Speicherung praktisch aller Punkte ein Bild des Körpers in verschiedenen Ansichten, perspektivisch oder in ausgewählten Schnitten, um damit die Diagnose zu erleichtern und zu präzisieren. Außerdem strebt man an, auch den zeitlichen Ablauf eines Vorganges im Körper (z. B. Herzschlag oder Hirndurchblutung) direkt sichtbar zu machen. Über die Dichte kann man viele Materialien im Körper wie Knochen bereits unterscheiden, aber zur Hervorhebung bestimmter Arten oder Aktivitätszentren wird man noch Markierungen wie Tracer im physikalischen Messprozess einsetzen. Typische bildgebende Verfahren sind die Sonographie (Messung von Schallreflexionen), die Computertomographie (CT, Messung der Röntgen-Absorption), die Szintigraphie (Aktivität eines Tracers), Positronen-Emmissions-Tomographie (PET, Messung der Tracerkonzentration) und neuerdings auch die Magnetresonanztomographie (MRI1, magnetische Resonanz von H-Kernen).

Methoden, die es einem erlauben, bestimmte physiologische Vorgänge zu visualisieren, ohne dass ein direkter bzw. präziser Bezug zu anatomischen Strukturen hergestellt werden kann, werden in der Regel nicht zu den bildgebenden Verfahren gerechnet. Typische Beispiele solcher Methoden sind das Elektromyogramm (EMG), das Elektroenzephalogramm (EEG) und die Magnetenzephalographie (MEG). Diese Verfahren erlauben zwar die zeitliche, hoch aufgelöste Visualisierung neurophysiologischer Vorgänge, sie liefern jedoch keine genauen Informationen bzgl. der anatomischen Strukturen, die den neurophysiologischen Vorgängen zugrunde liegen. Insbesondere für die EEG- und MEG-Technologie werden derzeit mathematische Modelle entwickelt, die es zunehmend erlauben, auch Hinweise auf die den neurophysiologischen Vorgängen zugrunde liegenden anatomischen Strukturen zu erhalten. Die hierzu verwendeten mathematischen Modelle sind teilweise komplex und bergen noch eine Reihe von ungelösten Problemen, so dass EEG und MEG derzeit noch nicht allgemein akzeptiert (zumindest im medizinischen Bereich) zu den bildgebenden Verfahren gerechnet werden. Im Rahmen dieses Buches wird verstärkt auf kernspintomographische und teilweise auch auf positronenemissionstomographische Methoden Bezug genommen. Dies deshalb, weil diese Verfahren in den letzten zehn Jahren zu einem bemerkenswerten Aufschwung in den kognitiven Wissenschaften geführt haben. Diese Verfahren haben mittlerweile nicht nur einen herausragenden Platz z. B. in der Neuroradiologie erworben, sondern entwickeln sich zunehmend zu Standardverfahren, mit denen auch aus reinem Forschungsinteresse psychische Vorgänge und den ihnen zugrunde liegenden neurophysiologischen Prozesse untersucht werden.

2.2 Kurze Geschichte der Bildgebung2

Die Geschichte der Bildgebung ist alt und hat viele interessante Wendungen, Höhepunkte und Probleme erlebt. Will man diese Geschichte nachvollziehen, muss man verschiedene Entwicklungsstränge verfolgen. Ein wichtiger Strang hat seinen Ursprung in der Anatomie, während andere meist technischer Natur sind. Letztlich wurden alle Entwicklungsstränge durch die medizinische Wissenschaft geeinigt, denn die aus diesen Entwicklungen hervorgegangenen Verfahren wurden bzw. werden zum Nutzen der Patienten eingesetzt. Neben diesen rein medizinischen Anwendungen hat sich eine nicht minder bedeutende Forschungsrichtung etabliert, die kognitive Neurowissenschaft, die sich diese Verfahren zunutze macht, um die grundlegenden Gehirnfunktionen des Menschen zu ergründen. Obwohl diese Forschungsrichtung zunächst grundlagenorientiert erscheint, hat sie aber große Bedeutung für die klinisch-medizinischen Fächer. Dieses ständige Wechselspiel zwischen Grundlagen- und medizinischer Anwendungsforschung ist recht eindrücklich auch an der Geschichte der Bildgebung ablesbar. Im Folgenden sollen kurz die wichtigsten Entwicklungsstränge dieser Geschichte dargestellt werden. Hierbei wird Bezug genommen auf die Neuroanatomie, die Computertomographie, die Magnetresonanztomographie, die Positronenemissionstomographie und letztlich auf die Elektroenzephalographie.

Die Geschichte der Neuroanatomie

Die wohl älteste Nennung des Wortes „Gehirn“ findet sich in den Edwin-Smith-Papyrus-Rollen. Hierbei handelt es sich um Papyrus-Rollen, die wahrscheinlich um 1700 v. Chr. erstellt worden sind. Archäologen gehen davon aus, dass die darin beschriebenen Inhalte allerdings bis in die Zeit 2500–3000 v. Chr. zurückgehen. In diesen Papyrus-Rollen sind 48 klinische Fälle beschrieben, darunter 27 dezidierte Beschreibungen von Hirnverletzungen.

In der Antike existierte nur eine kurze Periode, in der das Tabu der Sektion menschlicher Leichen gebrochen wurde, und zwar im dritten Jahrhundert vor Christus in Alexandria. Dort führten die zwei bemerkenswerten Forscher Herophilus und Erasistratos anatomische und physiologische Studien an den Leichen Hingerichteter, vielleicht sogar Vivisektionen an zum Tode Verurteilten durch. Leider sind nur Teile ihrer Arbeiten erhalten geblieben, die beim Brand der Bibliothek von Alexandria 47 v. Chr. vernichtet wurden. Nach dem Tod dieser Forscher wurden in der Antike keine Sektionen mehr durchgeführt.

Abbildung 1: Hieroglyphen aus den Edwin-Smith-Papyrus-Rollen, die das Gehirn beschreiben. Wahrscheinlich die erste kulturelle Dokumentation des Begriffs Gehirn.

Die Geschichte der modernen, anatomisch orientierten Medizin begann in der Renaissance mit Leonardo da Vinci, der als Erster systematische Körperstudien anhand von anatomischen Präparaten anfertigte. Seine anatomischen Zeichnungen sind weltberühmt und von faszinierender Ausdruckskraft. 228 Blätter sind erhalten und heute im Besitz des englischen Königshauses in Windsor. Leider konnte er seinen Wunsch, ein anatomisches Handbuch zu erschaffen, nicht verwirklichen. Dies blieb Vesalius mit seinen Werken De humani corpis fabricia Epitome vorbehalten. Beide Bücher erschienen 1543 in Basel. Vesalius hat beeindruckende Zeichnungen des menschlichen Gehirns angefertigt, die auch heutzutage nicht an Eindruckskraft verloren haben. Zu bemerken ist, dass Vesalius diese Zeichnungen in einer Zeit anfertigte, in der die ventrikuläre Lokalisationshypothese noch sehr populär war. Im Rahmen dieser Theorie wird den Ventrikeln eine besondere funktionelle Bedeutung zugeschrieben. In den Ventrikeln sollte demzufolge das psychische Pneuma zirkulieren und über das Ventrikelsystem quasi in den Körper gepumpt werden. Das Gehirn fungiert im Rahmen dieses Gedankengebäudes lediglich als Stützkörper. Bestimmte Ventrikelbereiche sollten allerdings für verschiedene psychische Funktionen spezialisiert sein. Schöne optische Beispiele für diese Hypothese haben die Mönche Gregor Reisch (1504) und Magnus Hundt (1501) abgeliefert. So wird z. B. dem ersten Ventrikel (der nicht gleichzusetzen ist mit dem heute als ersten Ventrikel bezeichneten Hohlkörper) die Fähigkeit zugeschrieben, Fantasie und Imagination zu kontrollieren. Der zweite Ventrikel wäre demnach für das Denken und der dritte für das Gedächtnis zuständig.

Einen gewissen Aufschwung, zumindest was die Popularität in Laienkreisen betrifft, hat die Anatomie durch die Phrenologie erhalten. Die beiden Protagonisten dieser Richtung (Gall und Spurzheim) hatten versucht, aus den Unebenheiten der Schädeloberfläche (Beulen – bumps) auf die Beschaffenheit des darunter liegenden Hirngewebes zu schließen und diese anatomischen Eigenarten dann mit bestimmten psychischen Funktionen in Beziehung gebracht. Aus heutiger Sicht ist natürlich vollkommen einsichtig, dass dieser Ansatz einen Irrweg darstellte.

Bedeutend, wenn nicht gar bahnbrechend, waren die Befunde der Neurologen Paul Broca (1861; 1878) und Carl Wernicke (1874) sowie die Beschreibung des Patienten Phineas Gage. Die von ihnen vorgelegten Fallbeschreibungen belegen erstmalig, dass bestimmte Hirnfunktionen (Sprachexekution, Sprachperzeption und komplexe soziale Motivation) an die Intaktheit bestimmter Hirngebiete gebunden sind.

Abbildung 2: Zeichnungen von Gregor Reisch (1504), Vesalius (1543) und Magnus Hundt (1501).

Abbildung 3: Schematische Beispiele für phrenologische Deutungsversuche hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen Schädelmerkmalen und der Ausprägung psychischer Funktionen.3

1906 erhielten die Physiologen Golgi und Cajal gemeinsam den Nobelpreis für Medizin als Anerkennung für ihre zellbiologischen Arbeiten. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass Golgi die wesentliche Voraussetzung schuf, um Neurone zu visualisieren, aber im Hinblick auf die Interpretation dessen, was er sah, auf einem Irrweg war. Er nahm nämlich an, dass das gesamte Gehirn eine kontinuierliche Masse mit einem einheitlichen Zytoplasma (Synctium) sei. Cajal interpretierte die mit der Golgi-Methode gefärbten Hirnschnitte korrekt. Er identifizierte einzelne Neurone und betonte damit das Neuron als Grundbaustein des Gehirns.

Der deutsche Neuroanatom Korbinian Brodmann publizierte 1909 die Ergebnisse seiner zytoarchitektonischen Studien, in deren Zusammenhang er ein (!) Post-mortem-Gehirn in 52 unterschiedliche zytoarchitektonische Areale unterteilte (einige davon sind nur für nichtmenschliche Primaten definiert). Diese Eintei...

Table of contents

• Deckblatt
• Titelseite
• Impressum
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Vorwort
• 2 Einleitung
• 3 Die Magnetresonanztomographie
• 4 Die strukturelle Magnetresonanztomographie
• 5 Die funktionelle Kernspintomographie
• 6 Positronen-Emmissions-Tomographie (PET)
• 7 Computertomographie
• 8 Die kortikale Kartierung von elektrophysiologischen und magnetenzephalographischen Prozessen
• 9 Die transkranielle Magnetstimulation (TMS)
• 10 Optische Bildgebung
• 11 Ausblick
• Literaturverzeichnis
• Sachwort- und Personenverzeichnis