Functional magnetic resonance imaging and spectroscopy in the human brain at an ultra-high field 7 T scanner

Abstract

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und Magnetresonanzspektroskopie (fMRS) werden routinemäßig zur nichtinvasiven Erkennung funktioneller Veränderungen des Hirnstoffwechsels, in Regionen welche durch Stimulationen aktiviert werden, eingesetzt. Bisher war fMRS auf Einzelvoxelmethoden beschränkt, bei denen neurochemische Veränderungen in einem einzigen großen Volumen ausgewertet wurden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, eine hochreproduzierbare bildgebende Magnetresonanzspektroskopie (MRSI) Technik zu etablieren, die zur Kartierung und Visualisierung von Neurochemikalien in aktivierten und ruhenden kortikalen und subkortikalen Bereichen des menschlichen Gehirns verwendet wird. Zu diesem Zweck wird die fortschrittliche funktionelle MRSI-Methode, die im Vergleich zur Einzelvoxel-MRS bereits eine überlegene räumliche Auflösung und Abdeckung bietet, optimiert und ihre Nützlichkeit zur Erkennung funktioneller Oszillationen von Neurochemikalien während Stimulationsparadigmen validiert. Der Übergang zu 7-Tesla-Scannern führt zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis und damit zu einer höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der erforderlichen Messzeit. Allerdings werden bei ultrahohen Feldern Messungen zunehmend von Feldinhomogenitäten abhängig. Um die Quelle funktioneller Aktivierungen richtig zu bestimmen, müssen außerdem unerwünschte Lipidartefakte entfernt werden, da diese dazu neigen, die Aktivierungssignale zu beeinflussen. Daher wird eine L2-Regularisierungsmethode verwendet, um den Einfluss von Lipidartefakten auf unsere spektrale Quantifizierung abzuschwächen. Diese Arbeit demonstriert, wie Stoffwechselprozesse im menschlichen Gehirn in Bezug auf ihre Empfindlichkeit bei der Aktivierung des primären sensomotorischen und des supplementärmotorischen Cortex untersucht werden können. Die Nachverarbeitungspipeline wird angepasst, um die Reproduzierbarkeit zwischen den Messungen sowie die zeitliche Stabilität von MRSI während funktionaler Paradigmen zu maximieren. Somit wird die aktuelle Arbeit zur Entwicklung erster klinischer fMRSI-Anwendung beitragen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der erzielten Ergebnisse und möglichen Verbesserungen im Kontext aktueller 7 T fMRSI Forschung.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) and spectroscopy (fMRS) are routinely used for the non-invasive detection of functional changes of brain metabolism in regions activated by stimuli. So far, fMRS has been limited to single voxel methods, where neurochemical changes were assessed in a single large volume. The main goal of this thesis is to help establishing a highly reproducible magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) technique, used for the mapping and visualization of neurochemicals in activated and resting cortical and subcortical areas of the human brain. To do so, the advanced functional MRSI method, which has already provided superior spatial resolution and coverage compared to single voxel MRS, will be optimized and its feasibility to detect functional oscillations of neurochemicals during stimulation paradigms will be validated. The transition to 7 Tesla scanners leads to an improved signaltonoise ratio and thus a higher spatial as well as temporal resolution. This results in a considerable reduction of the required measurement time. However, at ultra-high fields measurements become increasingly dependent on field inhomogeneities. Furthermore, in order to properly determine the source of functional activations, one has to remove unwanted lipid artefacts, as they tend to bias the activation signals. Thus, a L2-regularisation method will be used to mitigate the influence lipid artefacts might have on our spectral quantification. This thesis demonstrates how metabolic processes within the human brain can be studied in relation to their sensitivity on the activation of the primary sensorimotor cortex and the supplementary motor area. The postprocessing pipeline will be adjusted in order to maximize the within-session reproducibility and temporal stability of MRSI during functional paradigms. Thus, the current work will contribute to the development of the first clinical fMRSI application. The thesis concludes with a discussion of the obtained results and potential further in the context of state of the art 7 T fMRSI studies.