Simultaneous Measurement of the BOLD Effect and Metabolic Changes in Response to Visual Stimulation Using the MEGA-PRESS Sequence at 3 T

The blood oxygen level dependent (BOLD) effect that provides the contrast in functional magnetic resonance imaging (fMRI) has been demonstrated to affect the linewidth of spectral peaks as measured with magnetic resonance spectroscopy (MRS) and through this, may be used as an indirect measure of cerebral blood flow related to neural activity. By acquiring MR-spectra interleaved with frames without water suppression, it may be possible to image the BOLD effect and associated metabolic changes simultaneously through changes in the linewidth of the unsuppressed water peak. The purpose of this study was to implement this approach with the MEGA-PRESS sequence, widely considered to be the standard sequence for quantitative measurement of GABA at field strengths of 3 T and lower, to observe how changes in both glutamate (measured as Glx) and GABA levels may relate to changes due to the BOLD effect. MR-spectra and fMRI were acquired from the occipital cortex (OCC) of 20 healthy participants whilst undergoing intrascanner visual stimulation in the form of a red and black radial checkerboard, alternating at 8 Hz, in 90 s blocks comprising 30 s of visual stimulation followed by 60 s of rest. Results show very strong agreement between the changes in the linewidth of the unsuppressed water signal and the canonical haemodynamic response function as well as a strong, negative, but not statistically significant, correlation with the Glx signal as measured from the OFF spectra in MEGA-PRESS pairs. Findings from this experiment suggest that the unsuppressed water signal provides a reliable measure of the BOLD effect and that correlations with associated changes in GABA and Glx levels may also be measured. However, discrepancies between metabolite levels as measured from the difference and OFF spectra raise questions regarding the reliability of the respective methods.publishedVersio

Investigating the long-term stability and neurochemical substrates of TMS and MRS

La stimulation magnétique transcrânienne (SMT) et la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) sont des techniques non-invasives permettant de quantifier l’activité GABAergique et glutamatergique du cerveau. La SMT et la SRM ont plusieurs applications en clinique et en recherche. En effet, ces outils peuvent être utilisés afin de déterminer l’efficacité d’un traitement ou la progression d’un processus pathologique. Cependant, malgré leur utilisation croissante dans le domaine médical, une certaine incertitude demeure quant aux substrats neurochimiques de ces techniques et à la stabilité à long terme des données acquises par SMT et SRM. Donc, dans un premier temps, la stabilité à long terme de plusieurs mesures prises par SMT et par SRM a été étudiée. En second lieu, afin de mieux comprendre quelles composantes du système GABAergique sont ciblées par ces deux techniques, des mesures de SRM et de SMT ont été obtenues après l’administration d’une benzodiazépine, le lorazépam, selon un devis expérimental randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Deux articles composent cette thèse. Le premier article fait état d’une étude longitudinale, auprès d’adultes en santé, ayant pour but de déterminer la stabilité à long terme des concentrations de GABA et de Glx (glutamate + glutamine) obtenues par SRM ainsi que la stabilité des mesures d’inhibition et de facilitation corticale obtenues par SMT (rMT : seuil moteur au repos, %MSO : pourcentage d’intensité maximale du stimulateur, SICI : inhibition intra-corticale courte, LICI : inhibition intra-corticale longue, ICF : facilitation intra-corticale). Il a été démontré que les niveaux de GABA et de Glx sont stables au cours d’une période de trois mois. Alors que les mesures SMT de seuil moteur au repos, d’excitabilité corticale et de période corticale silencieuse sont stables à travers le temps, l’inhibition corticale à court intervalle et à long intervalle ainsi que la facilitation corticale sont beaucoup plus variables. Le deuxième article vise à comprendre la dissociation dans la sensibilité des mesures de SMT et SRM à refléter différentes facettes de l’activité GABAergique du cortex moteur. L’article porte sur une étude dans laquelle du lorazépam a été administré à des participants adultes en santé selon un devis randomisé, croisé, à double-aveugle et contrôlé par placébo. Des données SRM (GABA et Glx; cortex sensorimoteur et occipital) ainsi que des mesures SMT (cortex moteur) ont été obtenues suivant l’administration de lorazépam (ou de placébo). Il a été démontré que la prise de lorazépam réduisait les niveaux de GABA occipitaux, augmentait l’inhibition corticale et réduisait l’excitabilité du cortex moteur. La prise de médicament n’avait pas d’effet sur les autres mesures obtenues. De plus, il a été trouvé que l’effet du traitement sur l’inhibition corticale dépendait des concentrations endogènes de GABA dans le cortex sensorimoteur; une plus grande concentration de GABA étant prédictive d’une plus grande inhibition corticale suivant la prise de lorazépam. Dans leur ensemble, les résultats provenant des deux articles présentés dans cette thèse permettent de conclure que les mesures SRM des divers neurométabolites sont stables à long terme dans le cortex moteur et pourraient potentiellement servir de marqueurs dans l’évaluation de l’efficacité d’un traitement ou de l’évolution de processus pathologiques. Par contre, bien que certaines mesures SMT soient stables à long terme (rMT, %MSO, CSP), d’autres sont beaucoup plus variables (SICI, LICI, ICF); ainsi, la prudence est conseillée dans l’interprétation de ces mesures lors d’études cliniques. De plus, les effets différents que produit la prise de lorazépam sur les mesures SRM et SMT supportent la théorie selon laquelle les deux techniques n’ont pas les mêmes substrats neurochimiques. En effet, alors que les mesures TMS d’inhibition corticale refléteraient l’activité phasique des récepteurs GABAA, le signal SRM de GABA serait majoritairement intracellulaire et ne représenterait pas la neurotransmission GABAergique.Transcranial magnetic stimulation (TMS) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) are non-invasive techniques that allow the measurement of GABAergic and glutamatergic activity in the brain. TMS and MRS can be used to assess inhibitory and excitatory mechanisms, treatment response or disease presence and progression in vivo. However, despite their growing use in research and medical settings, ambiguity remains regarding their neurochemical substrates and long-term reproducibility. The goal of the present thesis is twofold. First, the long-term stability and reliability of various MRS and TMS measurements, obtained in the motor cortex, was investigated. Second, to better understand which aspects of the GABAergic network are targeted by the two techniques, TMS and MRS measures reflecting cortical inhibition and excitation were obtained following lorazepam administration using a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover design. Two articles comprise this thesis. The first article is a longitudinal assessment of the stability and reliability of MRS-GABA and Glx (glutamate + glutamine) and TMS measures of cortical inhibition and facilitation in the sensorimotor (SMC) cortex of healthy adults. It was determined that MRS-GABA and MRS-Glx are stable over a three-month interval. TMS measures of resting motor threshold (rMT), cortical excitability (% maximum stimulator output; MSO) and cortical silent period (CSP) were also found to be stable and reliable. However, paired-pulse TMS measures such as short-interval cortical inhibition (SICI), long-interval cortical inhibition (LICI) and intracortical facilitation (ICF) had greater variability. The second article aims to understand the differential sensitivity of TMS and MRS with respect to GABAergic activity in the primary motor cortex. It is based on the results and conclusions of a placebo-controlled, double-blind, randomized, crossover study, where benzodiazepine lorazepam was given to healthy adult volunteers. Magnetic resonance spectroscopy (GABA and Glx) was performed in the sensorimotor cortex and occipital cortex (OC). TMS measurements were acquired in the motor cortex only. MRS and TMS measures of cortical inhibition and excitability (rMT, input/output (I/O) curve, SICI, LICI, ICF, CSP) were obtained following lorazepam or placebo administration. Lorazepam was found to decrease occipital GABA concentration, increase motor cortical inhibition and decrease cortical excitability. Lorazepam administration had no effect on other neurometabolites or TMS measurements. The effect of Lorazepam on short-interval cortical inhibition was found to depend on endogenous GABA levels in the SMC; higher GABA concentrations predicted a greater increase in SICI following drug intake. Taken together, the studies presented in this thesis indicate that MRS neurometabolite levels are stable over time and may thus potentially serve as markers for the monitoring of disease progression and treatment response. However, while some TMS measures have good long-term stability (rMT, %MSO, CSP), others are not as reliable nor stable (SICI, LICI, ICF); care must be taken in clinical settings. Furthermore, the differential effects of lorazepam on MRS and TMS measures support the idea that the two techniques probe different aspects of the GABAergic system. Whereas TMS measures of cortical inhibition reflect phasic GABAA receptor activity, MRS-GABA primarily reflects intracellular, non-neurotransmitter metabolic GABA

Advances in proton MR spectroscopy for quantifying pain associated metabolic changes in the human brain

In this work non-invasive in vivo detection of excitatory neurotransmitter glutamate andother cortical metabolites and their changes in the presence of acute and chronic pain wasperformed in the human brain with proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS).This information can be used to better understand biochemical processes of cerebral painprocessing. Following introductory material, the first part of this thesis describes theimplemented method for post-processing of MR spectroscopic data to estimate absoluteconcentrations of the brain metabolites by considering the heterogeneous tissue compositionin the spectroscopic voxel. Phantom and in vivo brain studies demonstrated theadvantage of this method by reduced inter-individual variation of calculated metabolicconcentrations as well as enhanced quantitation accuracy. The second part of this workpresents the implemented method for the stimulus triggered data sampling permittingthe acquisition of in vivo 1H-MR spectra with a time resolution of few seconds. It wasshown that this method enables detection of changes of the neurotransmitter glutamateinduced by short acute pain stimuli. Considering these data, it was possible to characterisechanges of the glutamatergig neurotransmission associated with the sensation ofthe acute pain. The third part describes in vivo measurements on chronic pain patientsand healthy controls aiming to evaluate the changes of several brain metabolites in thedifferent cerebral pain processing regions associated with chronic pain. Patients revealeddecreased concentrations of the metabolic cell density markers and neurotransmitters indicatingthe degenerative processes as well as neurotransmitter dysfunctions, respectively.Results of this thesis indicate that pain induced metabolic changes in the human brainare traceable with the 1H-MRS by using experimental environment as it is used in clinicalroutine. This offers a broad spectrum of further applications aiming to explore thecerebral pain processing as well as to improve the specificity of the diagnostic assessmentof the chronic pain disease.Die vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung der Protonenmagnetresonanzspektroskopie(1H-MRS) zum nicht invasiven Nachweis von schmerzinduzierten Änderungen des erregenden Neurotransmitters Glutamat sowie anderer Metaboliten im menschlichen Gehirn. Diese Informationen könnten zu einem tieferen Verständnis der biochemischen Prozesse während der zerebralen Schmerzverarbeitung beitragen. Nach einer kurzen Einführung in die Problematik der Schmerzforschung sowie in die Grundlagen der MRSTechnikwird eine im Rahmen dieser Arbeit implementierte Methode zur Berechnung absoluter Metabolitenkonzentrationen unter Berücksichtigung der heterogenen Gewebezusammensetzung im spektroskopischen Volumen beschrieben. Der Vorteil dieses Verfahrens in Bezug auf die Verbesserung der Quantifizierungsgenauigkeit wird anhand von Ergebnissen spektroskopischer Messungen in einem Phantom sowie in Gehirnen gesunder Probanden belegt. Der zweite Teil befasst sich mit der Implementierung einer Technik zur reizgetriggerten Akquisition von MR Spektren, welche eine Abtastung verschiedener Stimulationszustände mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Sekunden zulässt und somit die Detektion dynamischer Änderungen von Metaboliten im Gehirn ermöglicht. Durch die Anwendung dieser Methode bei Messungen an gesunden Probanden konnten Änderungen im Glutamatstoffwechsel infolge einer Stimulation mit kurzen akuten Schmerzreizen nachgewiesen werden. Im dritten Teil der Arbeit wird schließlich eine an gesunden Probanden und Patienten mit chronischen Schmerzen durchgeführte Studievorgestellt, innerhalb derer die Auswirkungen der Schmerzchronifizierung auf den Metabolismus in schmerzverarbeitenden kortikalen Regionen untersucht wurden. Die Ergebnisse dieser Studie belegen die Hypothese, dass chronischer Schmerz mit Veränderungen imNeurotransmitterstoffwechsel sowie mit degenerativen Prozessen auf zellulärer Ebene einhergeht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es mit der 1H-MRS möglich ist, schmerzinduzierte Änderungen der Metaboliten im menschlichen Gehirn unter Verwendung von klinischen Standartverfahren zu quantifizieren. Dies wiederum eröffnet ein breites Feld für weitere Untersuchungen, welche zur Erforschung der zerebralen Schmerzverarbeitung sowie zur Verbesserung der Spezifität diagnostischer Verfahren bei chronischen Schmerzen beitragen könnten

Resting and Functional Magnetic Resonance Spectroscopy of Glutamate in Schizophrenia at 7 Tesla

Schizophrenia is a debilitating disease that affects about 1% of the population. Current therapeutic interventions mostly target dopaminergic neurotransmission but are not effective in treating all symptoms. There is growing evidence to support involvement of glutamatergic neurotransmission, which may better account for the symptomatology of schizophrenia. Glutamate concentrations can be measured in vivo using magnetic resonance spectroscopy (MRS). Stronger MRIs provide benefits for MRS, but they also present challenges. Simulations were designed to examine how MRI field strength influences metabolite quantification. Glutamate and its metabolic precursor, glutamine, were more reliably and independently quantified with higher MRI field strengths, showing a clear benefit for MRS. Using a 7T MRI, voxels were placed within the dorsal anterior cingulate cortex (dACC) and thalamus of volunteers with schizophrenia, a psychiatric control group of volunteers with major depressive disorder (MDD), and healthy controls. Glutamine and glycine, both involved in glutamate neurotransmission, were lower in the thalamus in schizophrenia relative to healthy controls, whereas dACC glutamate concentrations were higher, demonstrating glutamatergic abnormalities in schizophrenia at rest. Prior MRS studies of schizophrenia have been in resting conditions. In a proof of concept study with healthy controls, it was shown that the Stroop Task was able elicit a significant glutamate increase in the dACC when in a functional state (glutamate fMRS) relative to resting conditions using the 7T MRI. This was then explored in the same schizophrenic and MDD subjects as the resting MRS study. Healthy controls significantly increased glutamate concentrations, but the schizophrenic and MDD groups did not significantly. The schizophrenic group had a slower glutamatergic response followed by a slower recovery, and, was the only group to demonstrate significant glutamine increases when activated, indicating potential abnormalities in glutamate dynamics. Using a 7T MRI, glutamate was explored in resting and activated conditions in schizophrenia. Glycine was demonstrated to be lower in schizophrenia using MRS for the first time, and the first functional MRS study was performed in a psychiatric population. The studies were made stronger by inclusion of a psychiatric control group. Future studies of schizophrenia with glutamate fMRS should focus on the delayed glutamatergic response to functional activation and abnormal recovery

Le GABA comme marqueur de récupération suite à une commotion cérébrale dans le sport ?

L’association démontrée récemment entre les commotions cérébrales dans le sport et le développement possible de maladies neurodégénératives a suggéré la possibilité que des altérations persistantes soient présentes dans le cerveau de l’athlète commotionné. En fait, des altérations neurophysiologiques ont récemment été révélées au sein du cortex moteur primaire (M1) d’athlètes ayant un historique de commotions via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). Plus précisément, la période silencieuse corticale (PSC), une mesure d’inhibition liée aux récepteurs GABAB, était anormalement élevée, et cette hyper-inhibition était présente jusqu’à 30 ans post-commotion. La PSC, et possiblement le GABA, pourraient donc s’avérer des marqueurs objectifs des effets persistants de la commotion cérébrale. Toutefois, aucune étude à ce jour n’a directement évalué les niveaux de GABA chez l’athlète commotionné. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques composant le présent ouvrage comportent deux objectifs principaux: (1) déterminer si l’inhibition excessive (GABA et PSC) est un marqueur des effets persistants de la commotion cérébrale; (2) déterminer s’il est possible de moduler l’inhibition intracorticale de façon non-invasive dans l’optique de développer de futurs avenues de traitements. L’article 1 révèle une préservation des systèmes sensorimoteurs, somatosensoriels et de l’inhibition liée au GABAA chez un groupe d’athlètes universitaires asymptomatiques ayant subi de multiples commotions cérébrales en comparaison avec des athlètes sans historique connu de commotion cérébrale. Cependant, une atteinte spécifique des mesures liées au système inhibiteur associé aux récepteurs GABAB est révélée chez les athlètes commotionnés en moyenne 24 mois post-commotion. Dans l’article 2, aucune atteinte des mesures SMT liées au système inhibiteur n’est révélée en moyenne 41 mois après la dernière commotion cérébrale chez un groupe d’athlètes asymptomatiques ayant subi 1 à 5 commotions cérébrales. Bien qu’aucune différence entre les groupes n’est obtenue quant aux concentrations de GABA et de glutamate dans M1 via la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), des corrélations différentielles suggèrent la présence d’un déséquilibre métabolique entre le GABA et le glutamate chez les athlètes commotionnés. L’article 3 a démontré, chez des individus en bonne santé, un lien entre la PSC et la transmission glutamatergique, ainsi que le GABA et le glutamate. Ces résultats suggèrent que la PSC ne reflète pas directement les concentrations du GABA mesurées par la SRM, mais qu’un lien étroit entre la GABA et le glutamate est présent. L’article 4 a démontré la possibilité de moduler la PSC avec la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) anodale chez des individus en santé, suggérant l’existence d’un potentiel thérapeutique lié à l’utilisation de cette technique. L’article 5 a illustré un protocole d’évaluation des effets métaboliques de la SÉTcd bilatérale. Dans l’article 6, aucune modulation des systèmes GABAergiques révélées par la SMT et la SRM n’est obtenue suite à l’utilisation de ce protocole auprès d’individus en santé. Cet article révèle également que la SÉTcd anodale n’engendre pas de modulation significative du GABA et du glutamate. En somme, les études incluent dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets neurophysiologiques et métaboliques des commotions cérébrales, mais également sur le mécanisme d’action des diverses méthodologies utilisées.The recent demonstration of a link between sport concussions and the possible development of neurodegenerative disorders suggests that these injuries could induce long-term alterations in the brain of athletes. In fact, neurophysiological abnormalities have recently been shown via transcranial magnetic stimulation (TMS) in primary motor cortex (M1) of asymptomatic concussed athletes. Specifically, the cortical silent period (CSP), a measure of GABAB-related inhibition, was prolonged and this hyper-inhibition was observed up to 30 years post-concussion. Therefore, the CSP, and possibility abnormal GABA transmission, may become objective markers of lingering effects of sport concussions. However, no study to date has directly assessed GABA levels in concussed athletes. Therefore, the clinical and methodological studies included in the present thesis comprise two main objectives: (1) to determine whether excessive inhibition (GABA and CSP) is a marker of the persistent effects of concussion; (2) to assess the possibility of non-invasively modulating intracortical inhibition in order to develop future treatments aiming to normalize aberrant inhibition. Study 1 reveals normal sensorimotor interactions, somatosensory processing and GABAA-related intracortical inhibition in M1 of asymptomatic athletes who sustained multiple concussions in comparison with athletes who never sustained a concussion. However, a specific enhancement of GABAB-related intracortical inhibition is observed in athletes on average 24 months after the last concussion. In study 2, no alteration of GABAB-related intracortical inhibition is revealed in a group of athletes who sustained 1 to 5 sport concussions on average 41 months after the last concussion, in comparison with control athletes. In addition, while no alterations were present for GABA and glutamate levels in M1 using magnetic resonance spectroscopy (MRS), both groups displayed differential correlations between GABA and glutamate, which suggests the presence of a slight metabolic imbalance between the two metabolites in the concussed brain. Study 3 highlighted, in healthy individuals, a relationship between the CSP and MRS-derived glutamatergic transmission, as well as GABA and glutamate levels. These results reveal a link between excitatory and inhibitory transmission in M1 and suggest that the CSP does not directly reflect GABA concentrations measured with MRS. Results from study 4 showed that anodal transcranial direct current stimulation (tDCS) can reduce the length of the CSP in healthy individuals, suggesting the existence of a therapeutic potential associated with the use of this technique. Study 5 thoroughly describes a protocol that aims at assessing the effects of bilateral tDCS on M1 metabolism using MRS. Using this protocol, study 6 reveals, in healthy individuals, no significant modulation of GABAergic inhibition as assessed with MRS. The study also shows, in an additional experiment, that anodal tDCS does not modulate MRS-derived GABA and glutamate levels. In summary, the six studies included in the present thesis have helped increase our understanding of the neurophysiological and metabolic long-term effects of sport concussions. In addition, these experiments have shed light into the mechanism of action of several methods, including TMS, tDCS and MRS

IMAGING SPECIFIC ABSORPTION RATE WITH MR THERMOMETRY USING PARAMAGNETIC LANTHANIDE COMPLEXES AND IN VIVO GABA MR SPECTROSCOPY IN MOVEMENT DISORDERS

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a popular imaging modality due to its ability to provide excellent soft tissue contrast without exposure to ionizing radiation. It can be used for temperature monitoring (thermometry) as well as for assessing the biochemistry in vivo (MRS). This dissertation focuses separately on the development, application and quantitation issues of these two aspects of MRI

Real-time motion and magnetic field correction for GABA editing using EPI volumetric navigated MEGA-SPECIAL sequence: Reproducibility and Gender effects

γ-aminobutyric acid (GABA) is the primary inhibitory neurotransmitter and is of great interest to the magnetic resonance spectroscopy (MRS) community due to its role in several neurological diseases and disorders. Since GABA acquisition without macromolecule contamination requires long scan times and strongly depends on magnetic field (B0) stability, it is highly susceptible to motion and B0 inhomogeneity. In this work, a pair of three-dimensional (3D) echo planar imaging (EPI) volumetric navigators (vNav) with different echo times, were inserted in MEGA-SPECIAL to perform prospective correction for changes in the subject's head position and orientation, as well as changes in B0. The navigators do not increase acquisition time and have negligible effect on the GABA signal. The motion estimates are obtained by registering the first of the pairs of successive vNav volume images to the first volume image. The 3D field maps are calculated through complex division of the pair of vNav contrasts and are used for estimating zero- and first-order shim changes in the volume of interest (VOI). The efficacy of the vNav MEGA-SPECIAL sequence was demonstrated in-vitro and in vivo. Without motion and shim correction, spectral distortions and increases in spectral fitting error, linewidth and GABA concentration relative to creatine were observed in the presence of motion. The navigated sequence yielded high spectral quality despite significant subject motion. Using the volumetric navigated MEGA-SPECIAL sequence, the reproducibility of GABA measurements over a 40 minute period was investigated in two regions, the anterior cingulate (ACC) and medial parietal (PAR) cortices, and compared for different analysis packages, namely LCModel, jMRUI and GANNET. LCModel analysis yielded the most reproducible results, followed by jMRUI and GANNET. GABA levels in ACC were unchanged over time, while GABA levels in PAR were significantly lower for the second measurement. In ACC, GABA levels did not differ between males and females. In contrast, males had higher GABA levels in PAR. This gender difference was, however, only present in the first acquisition. Only in males did GABA levels in PAR decrease over time. These results demonstrate that gender differences are regional, and that GABA levels may fluctuate differently in different regions and sexes

Hirnmetabolische Veränderungen bei chronischem Rückenschmerz

Chronische Rückenschmerzen gehören in Deutschland zu den häufigsten und kostenintensivsten Schmerzerkrankungen. Die Patienten weisen oft lange Krankengeschichten, eine dauerhaft eingeschränkte Lebensqualität und enorme psychische Belastungen auf. Auf Basis des biopsychosozialen Modells der Schmerzchronifizierung wird davon ausgegangen, dass neben klinischen und objektivierbaren Befunden, psychische Merkmale eine zentrale Rolle für die Entstehung, Aufrechterhaltung und Prognose von Schmerzsyndromen spielen. Außerdem besteht ein Zusammenhang zwischen dem Chronifizierungsstadium und dem Behandlungserfolg bei chronischen Schmerzpatienten. Mittels funktioneller Bildgebung wurde festgestellt, dass chronische Schmerzen und die damit verbundenen psychologischen und funktionellen Beeinträchtigungen auch im Zusammenhang mit Änderungen des Neurotransmitterstoffwechsels in schmerzverarbeitenden Hirnregionen (z.B. anteriorer cingulärer Kortex (aCC), insulärer Kortex) stehen. Die Konzentrationen der im menschlichen Gehirn wichtigsten Neurotransmitter GABA (γ-Aminobuttersäure) und Glutamat sind sowohl bei chronischen Schmerzen als auch bei psychischen Erkrankungen wie Depression und Angsterkrankungen verändert. In dieser Studie wurde die Magnetresonanzspektroskopie (1H-MRS) genutzt, um Neurotransmitter im Gehirn in vivo zu quantifizieren und ein schmerzbegleitendes Ungleichgewicht zwischen erregend (glutamatergen) und hemmend (gabaergen) wirkenden Neurotransmittern bei Patienten mit chronischen unspezifischen Rückenschmerzen nachzuweisen sowie den Zusammenhang zu psychologischen und klinischen Befunden zu untersuchen. Hierzu wurden bei 19 Patienten mit chronischen, unspezifischen Schmerzen (>3 Monate) im Rückenbereich sowie bei 19 nach Alter und Geschlecht parallelisierten gesunden Kontrollpersonen psychologische (Angst, Depressivität) und Schmerzmerkmale (Chronifizierungsstadium, Schmerzintensität, Schmerzdauer) mittels Fragebögen erfasst. Akute psychiatrische Erkrankungen wurden in einem standardisierten, klinischen Interview (SKID) ausgeschlossen. Die Neurotransmitter Glutamat und GABA sowie Glutamat/GABA Verhältnisse im aCC und im insulären Kortex wurden mittels 1H-MRS quantifiziert. Es zeigte sich eine hohe Varianz der Glutamat/GABA Verhältnisse von Patienten und Kontrollpersonen in beiden gemessenen Hirnregionen. Ein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Gruppen konnte nicht nachgewiesen werden. Das Merkmal „Angst“ war eine signifikante Einflussvariable auf die Konzentration von Glutamat in Insula und aCC. Das Außerdem zeigte sich innerhalb der Patientengruppe ein signifikanter Einfluss der Schmerzintensität auf GABA und Glutamat in der Insula. Des Weiteren wurde mit zunehmendem Chronifizierungsstadium eine Abnahme des Neurotransmitters Glutamat im aCC nachgewiesen. Dieser Zusammenhang wurde in der vorliegenden Studie erstmals beschrieben. In Übereinstimmung mit dem aktuellen Forschungsstand lässt sich ableiten, dass dem aCC und der Insula im Prozess der Schmerzchronifizierung unterschiedliche Rollen zukommen: Veränderungen der Botenstoffe standen im aCC in Zusammenhang mit psychischen Merkmalen, in der Insula mit der Schmerzintensität. Die dargestellten Ergebnisse müssen unter Berücksichtigung folgender methodischer Limitationen interpretiert werden: mit 1H-MRS gemessene Neurotransmitterkonzentrationen repräsentieren Summenwerte der Messvolumina in den Hirnregionen, sodass kein Rückschluss auf die Herkunft der Metaboliten (Glutamat ist sowohl Metabolit im Energiestoffwechsel als auch Neurotransmitter) gezogen werden kann. Durch die Durchführung eines querschnittlichen Studiendesigns kann die Kausalität der gemessenen Zusammenhänge nicht bewertet werden. In Folgestudien sollten die nachgewiesen Effekte an größeren Stichproben und Kontrollgruppen überprüft werden. In dieser Studie konnte nachgewiesen werden, dass sowohl klinische als auch psychische Merkmale von Patienten mit chronischen Rückenschmerzen im Zusammenhang mit Änderungen von Neurotransmittern in den schmerzverarbeitenden Hirnregionen aCC und Insula stehen. Die Vorgänge der zentralnervösen Schmerzverarbeitung und Chronifizierung sowie insbesondere den Bezug zu psychosozialen Merkmalen zu verstehen, stellt eine große Herausforderung für die aktuelle Schmerzforschung dar. In unserer Studie ist es gelungen eine Reihe von Einflussfaktoren zu identifizieren und die Bedeutung einer ausführlichen, individuellen Befunderhebung von sowohl psychischen als auch klinischen Parametern zu belegen