Darstellung des Fasciculus Arcuatus durch deterministische Faserbahnenberechnungen aus diffusionsgewichteteten MR-Aufnahmen im Rahmen einer retrospektiven Studie

Diffusion Tensor Imaging (kurz DTI) ist Gegenstand aktueller Forschung, um subkortikale neuronale Netzwerke in Ihrer Anatomie und Funktion zu verstehen. Durch den Vorteil der Nicht-Invasivität und der kurzen Untersuchungszeit für den Patienten im Vergleich zur etablierten funktionellen Magnetresonanztomographie (kurz fMRT), sollte die klinische Relevanz zum Beispiel für eine präoperative neurochirurgische Diagnostik eruiert werden. Insbesondere kortikale Hirnregionen und Assoziationsfasern, die im Zusammenhang mit Sprachproduktion und Sprachverständnis stehen, müssen bei neurochirurgischen Eingriffen möglichst geschont werden. Mehrere Forschungsgruppen konnten bereits relevante Assoziationsfasern innerhalb der weißen Hirnsubstanz, zu der der Fasciculus Arcuatus zählt, mittels Fasertraktographie darstellen und in Zusammenhang mit den Ergebnissen etablierter fMRT-Methoden zur Identifikation von kortikalen Spracharealen bringen. Aus diesen Überlegung ergaben sich drei Zielsetzungen für diese Arbeit. Als erstes Ziel sollte ein Fasertraktographie-Algorithmus entworfen werden, der mithilfe weniger Datenprozessierungsschritte aus den Diffusionsdaten den Arcuatus Fasciculus als wichtige Assoziationsfaser der Sprachdomäne identifiziert und welcher zudem für Patienten mit neuropathologischen Erkrankungen verwendbar ist. Als zweite Zielsetzung sollte untersucht werden, ob eine strukturelle interhemisphärische Seitendifferenz in der Anzahl der zum Arcuatus Fasciculus zugehörigen Fasern gefunden werden kann. Die dritte Zielsetzung widmet sich der Untersuchung der Sprachdominanz des Patienten im Rahmen dessen die Seitendifferenz in Anzahl der Fasern mit den funktionellen Ergebnissen aus der fMRT korreliert werden. Diffusionsdatensätze von 34 Patienten mit epileptischen Erkrankungen und extra- sowie intraaxialen Hirntumoren wurden mittels deterministischer Fasertraktographie verarbeitet, um für jeden Patienten die Gesamtheit der zerebralen Faserbahnen zu identifizieren. Anschließend wurde aus dieser Gesamtheit mittels weniger Prozessierungsschritte der Arcuatus Fasciculus für beide Hemisphären getrennt dargestellt und die Anzahl der zugehörigen Fasern bestimmt. Bei sechs Patienten konnten aufgrund mangelnder Datenqualität nicht ausreichend Faserbahnen im Arcuatus Fasciculus erfasst werden. Die Ergebnisse der restlichen 28 Patienten wurden mit den zugehörigen fMRT-Befunde korreliert. Der in dieser Arbeit aufgeführte Algorithmus zur Fasertraktographie des Arcuatus Fasciculus konnte anhand weniger Datenverarbeitungsschritte bei 28 von 34 Patienten der Arcuatus Fasciculus für beide Hemisphären darstellen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine individuelle Platzierung von Regions-of-Interest die Sensitivität für die Erfassung der neuronalen Fasern erhöht. Zusätzlich fanden sich bei 25 von 28 Patienten interhemisphärische Unterschiede von mehr als 10 Fasern, sodass eine Untersuchung der Sprachdominanz anhand dieser Differenzen möglich ist. Schließlich konnte gezeigt werden, dass in 91% der Fälle die interhemisphärische Seitendifferenz im Fasertraktographie mit den funktionellen Seitendifferenzen im fMRT übereinstimmt. Daher demonstriert diese Arbeit die klinische Relevanz der DTI als nicht-invasive Bildgebung subkortikaler Sprachnetzwerke zu Forschungszwecken und zur präoperativen Diagnostik vor neurochirurgischen und interventionellen Eingriffen. Durch Anpassung des Algorithmus kann der Anwendungsbereich auf andere subkortikale Netzwerke erweitert und durch Anwendung an größeren und definierten Patientengruppen die Signifikanz der Ergebnisse gesichert werden

Combining TMS and tACS for Closed-Loop Phase-Dependent Modulation of Corticospinal Excitability: A Feasibility Study

Background: The corticospinal excitability indexed by motor evoked potentials (MEPs) following transcranial magnet stimulation (TMS) of the sensorimotor cortex is characterized by large variability. The instantaneous phase of cortical oscillations at the time of the stimulation has been suggested as a possible source of this variability. To explore this hypothesis, a specific phase needs to be targeted by TMS pulses with high temporal precision.Objective: The aim of this feasibility study was to introduce a methodology capable of exploring the effects of phase-dependent stimulation by the concurrent application of alternating current stimulation (tACS) and TMS.Method: We applied online calibration and closed-loop TMS to target four specific phases (0°, 90°, 180°, 270°) of simultaneous 20 Hz tACS over the primary motor cortex (M1) of seven healthy subjects. Result: The integrated stimulation system was capable of hitting the target phase with high precision (SD ± 2.05 ms, i.e. ± 14.45°) inducing phase-dependent MEP modulation with a phase lag (CI95% = - 40.37° to - 99.61°) which was stable across subjects (p=0.001). Conclusion: The combination of different neuromodulation techniques facilitates highly specific brain state-dependent stimulation, and may constitute a valuable tool for exploring the physiological and therapeutic effect of phase-dependent stimulation, e.g. in the context of neurorehabilitation