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23. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

15. - 17.09.2006, Heidelberg

Stellenwert der funktionellen Bildgebung in der Diagnostik von Sprachentwicklungsstörungen

Vortrag

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  • corresponding author presenting/speaker Marko Wilke - Abteilung für Neuropädiatrie & Entwicklungsneurologie, Klinik für Kinder- und Jugendmedizin der Eberhard-Karls-Universität Tübingen, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. 23. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. Heidelberg, 15.-17.09.2006. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2006. Doc06dgppHT01

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/dgpp2006/06dgpp32.shtml

Veröffentlicht: 5. September 2006

© 2006 Wilke.
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Gliederung

Text

Einleitung

In den letzten Jahren hat sich mit der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) zunehmend eine Technik etabliert, die den Neurowissenschaften gänzlich neue Möglichkeiten eröffnet hat. Erstmals ist es nun möglich, nicht-invasiv auch im gesunden Organismus die Organisation neurologischer Vorgänge zu erforschen. Diese Methode erweitert die bisher mittels MRT zu gewinnenden Informationen (mikrostrukturell [MR-Diffusion], makro-strukturell [konventionelle MR] und biochemisch [MR-Spektroskopie]) um eine funktionelle Dimension [1]. Durch die nun breiter verfügbare Technik ist auch ein Einsatz in der prä-klinischen Forschung in greifbare Nähe gerückt, und insbesondere in der Neurochirurgie ist der Sprung in die Klinik an einigen Zentren bereits Realität [2]. Dieses Übersichtsreferat soll einen Einblick in die Grundlagen und einige mögliche Anwendungen der funktionellen Bildgebung im Bereich der Pädaudiologie erlauben.

Grundlagen der funktionellen MRT

Die funktionelle MRT wurde erstmals in einem Rattenexperiment 1990 von Ogawa et al. beschrieben [3]. Der mittels MRT beobachtbare Kontrast beruht nicht auf direkt visualisierbarer neuronaler Aktivierung sondern auf einem sekundären Phänomen, den hierdurch ausgelösten Blutflussänderungen. Der exakte neurobiologische Hintergrund dieser neurovaskulären Kopplung ist noch unklar, in letzter Zeit wurden allerdings durch simultane elektrophysiologische und Magnetresonanz-Messungen neue Einsichten in diese Grundlagen möglich [4]. Eine während einer Aufgabe aktivierte Region im Gehirn fordert zur Deckung des Energiebedarfs zusätzliches Blut an, was zu einer Änderung der lokalen Blutflussverhältnisse führt. Da oxygeniertes und deoxygeniertes Hämoglobin unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben lässt sich der daraus resultierende Einfluss auf das Magnetfeld mit hierfür besonders empfindlichen Sequenzen (sog. „echo-planar imaging“, EPI) darstellen. Die messbaren Signalunterschiede sind allerdings sehr klein (im Bereich von 1-3%) so dass zur sicheren Darstellung dieser Aktivierung viele Bilder benötigt werden. Zusätzlich ist die Technik ausgesprochen bewegungsempfindlich.

Implementierung der funktionellen MRT im Kindesalter

Aus dem oben beschriebenen Mechanismus geht auch hervor, dass die funktionelle MRT nur Änderungen im Blutfluss und damit auch nur Änderungen der neuronalen Aktivierung darstellen kann. Dies ist für die Planung von fMRT-Experimenten von entscheidender Bedeutung, da im Gegensatz zu einer „passiven“ strukturellen Bildgebung die gewünschte neuronale Funktion gezielt herausgearbeitet werden muss. In der einfachsten und robustesten Variante wird eine neurologische Funktion für eine gewisse Zeit ausgeübt und dann nicht ausgeübt (Bewegung der Hand für 30 Sekunden, dann 30 Sekunden Ruhe); dieser Vorgang wird „blockweise“ wiederholt. Eine solche Aufgabe dauert typischerweise etwa 5 Minuten (klassisches Blockdesign, siehe auch Abbildung 1 [Abb. 1]). Durch diesen Ansatz kommt es zu vorhersagbaren und daher identifizierbaren Signalunterschieden in den beteiligten Regionen, die sich mit aufwendigen statistischen Ansätzen darstellen lassen.

Die für eine fMRT notwendige, zumindest basale Kooperationsfähigkeit des zu untersuchenden Patienten stellt eines der grundsätzlichen Probleme in der Anwendung dieser Technik in der Pädiatrie dar [5]. Das Alter, ab dem eine fMRT-Untersuchung am wachen Kind in erfahrenen Zentren eine realistische Erfolgschance hat wird mit etwa 5 Jahren angegeben [6] (siehe auch Abbildung 2 [Abb. 2]). Dies schließt den Einsatz in der pädaudiologischen Frühdiagnostik aber nicht aus, da alternativ am spontan schlafenden Kind oder in Sedierung immer noch neuronale Aktivierung nachweisbar ist. Die hierfür notwendigen Grundlagen werden seit einiger Zeit erforscht [7], [8].

Möglichkeiten der Anwendung in der Pädaudiologie: Klinik

Die Darstellung der neuronalen Aktivierung bei einem Kind mit einer Hörstörung hat unmittelbare Relevanz wenn es um die therapeutischen Optionen geht. Da Kinder mit hochgradiger Schwerhörigkeit von einer möglichst frühen therapeutischen Intervention profitieren [9] muss auch die hierfür notwendige Diagnostik entsprechend früh verfügbar sein. Da in einem solchen Fall die klinische Indikation außer Frage steht sind auch Untersuchungen in Sedierung möglich, was aber die zusätzliche Problematik der Suppresion eigentlich vorhandener neuronaler Aktivierung durch die Medikation aufwirft. Erste Ergebnisse weisen darauf hin dass Pentobarbital eine erhebliche Beeinträchtigung dieser Aktivierung induziert [10] während Chloralhydrat eine deutliche geringere Beeinflussung zeigt [8]. Bezüglich der direkten Überführung in die klinische Routine scheint die Untersuchung von Patienten vor der Anpassung eines Cochlea-Implantats am weitesten fortgeschritten zu sein, mit dem Ziel, geeignete Kandidaten bereits möglichst früh zu identifizieren [11].

Möglichkeiten der Anwendung in der Pädaudiologie: Wissenschaft

Die wissenschaftlichen Fragestellungen, die mittels fMRT in der Pädaudiologie zu beantworten wären sind vielfältig. Die interessanteste Zeitspanne ist natürlich die allerfrüheste Kindheit, in der die Grundlagen für Sprache und Sprechen gelegt werden [9]. Leider ist diese Altersgruppe aufgrund ihrer fehlenden Kooperationsfähigkeit per se unzugänglich für eine fMRT-Untersuchung [5], so dass wissenschaftliche Studien in dieser Gruppe von vornherein auf spontan schlafende Kinder beschränkt sein müssen. Studien an Säuglingen erbrachten erstaunlich robuste Ergebnisse [12]. Ältere, ebenfalls schlafende Kinder konnten in Einzelfällen untersucht werden, mit erneut robusten und überraschenden Ergebnissen [13]. Mit Studien an kooperationsfähigen Kindern sind prinzipiell alle auch bei Erwachsenen interessanten Fragestellungen beantwortbar [14] (siehe auch Abbildung 2 [Abb. 2]), wobei auf eine altersadäquate Umsetzung der Experimente geachtet werden muss [5].

Grenzen

Aus den oben beschrieben Beschränkungen ergeben sich bereits die Beschränkungen der Technik im Einsatz in der Pädaudiologie. Selbst im Falle einer reibungslosen Umsetzung ist es immer noch eine sehr aufwändige Technik, die viel technischen Sachverstand und einen hohen Zeitaufwand erfordert [5]. Zusätzlich ist die Sensitivität der Technik in vielerlei Hinsicht beschränkt, so dass sich zum Beispiel die neuropsychologisch robusten Unterschiede im Sprachverhalten zwischen Jungen und Mädchen selbst in großen fMRI-Studien kaum nachweisen lassen [15].

Schlussfolgerungen

Mit der funktionellen MRT stehen den Neurowissenschaften insgesamt neue Möglichkeiten offen, die neuronale Verankerung beobachtbarer Phänomene zu erforschen. Die Überführung in die pädaudiologische Forschung und Klinik ist wünschenswert, aber aufgrund der technischen und praktischen Hürden bei der Implementierung eine große Herausforderung, die nur im Zusammenspiel von Technikern, Radiologen und pädiatrisch engagierten Ärzten vorangetrieben werden kann.


Literatur

1.
Wilke M, Holland SK. Neue MR-Techniken in der Neuropädiatrie: Grundlagen, Stand und Ausblick. Monatsschr Kinderheilk (2003) 151: 68-77
2.
Jezzard P, Buxton RB. The clinical potential of functional magnetic resonance imaging. J Magn Reson Imaging (2006) 23:787-793
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Ogawa S, Lee T-M, Nayak AS, Glynn P. Oxygenation-Sensitive Contrast in Magnetic Resonance Image of Rodent Brain at High Magnetic Fields. Mag Res Med (1990) 14: 68-78
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Logothetis NK. The neural basis of the blood-oxygen-level-dependent functional magnetic resonance imaging signal. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci (2002) 357: 1003-1037
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Wilke M, Holland SK, Myseros JS, Schmithorst VJ, Ball WS, Jr. Functional magnetic resonance imaging in pediatrics. Neuropediatrics (2003) 34: 225-234
6.
Byars AW, Holland SK, Strawsburg RH, Bommer W, Dunn RS, Schmithorst VJ, Plante E. Practical aspects of conducting large-scale functional magnetic resonance imaging studies in children. J Child Neurol (2002) 17: 885-890
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Altman NR, Bernal B. Brain activation in sedated children: auditory and visual functional MR imaging. Radiology (2001) 221: 56-63
8.
Holland SK, Choo DI, Schmithorst VJ, Ret JK, Hilbert L, Dunn RS, et al. fMRI in Hearing Impaired Children Under Sedation. In: ISMRM 12th Scientific Meeting; (2004) Kyoto, Japan
9.
Kruse E. Normale Entwicklung von Sprache und Sprechen. In Lehrbuch der Phoniatrie und Pädaudiologie, von Wendler, Seidner, Eysholdt, Springer, Berlin, Kapitel 16.
10.
Martin E, Thiel T, Joeri P, Loenneker T, Ekatodramis D, Huisman T, Hennig J, Marcar VL. Effect of pentobarbital on visual processing in man. Hum Brain Mapp (2000) 10: 132-139
11.
Zur KB, Holland SK, Yuan W, Choo DI. Functional magnetic resonance imaging: contemporary and future use. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg (2004) 12: 374-377
12.
Dehaene-Lambertz G, Dehaene S, Hertz-Pannier L. Functional neuroimaging of speech perception in infants. Science (2002) 298: 2013-2015
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Wilke M, Holland SK, Ball WS Jr. Language processing during natural sleep in a 6-year-old boy as assessed by functional MRI. AJNR Am J Neuroradiol (2003) 24: 42-44
14.
Wilke M, Lidzba K, Staudt M, Buchenau K, Grodd W, Krägeloh-Mann I. An fMRI task battery for assessing hemispheric language dominance in children. NeuroImage (in press)
15.
Plante E, Schmithorst VJ, Holland SK, Byars AW. Sex differences in the activation of language cortex during childhood. Neuropsychologia (2006) 44:1210-1221