EEG-fMRI in children with focal epilepsies - Use of variable Hemodynamic Response Functions to increase the sensitivity of EEG-fMRI and learn more about the neurophysiological correlate of the irritative zone
Final Report Abstract
Epilepsie ist eine der häufigsten gravierenden neurologischen Erkrankungen im Kindesalter. Häufig ist es auch heute noch schwer, diejenigen Bereiche des Gehirns zu lokalisieren, die für die Auslösung von epileptischen Anfallen verantwortlich sind. Eine kombinierte Untersuchung von EEG (Elektroencephalogramm) und fMRT (funktioneile Magnetresonanztomographie) ermöglicht eine Darstellung von Hirnarealen, die ihre Aktivität als Folge von Epilepsie Typischen Potenzialen (ETP) verändern. Bei fMRTs wird der so genannten BOLD (Blood oxygenation dependent) Effekt dargestellt, der auf der Basis einer Hämodynamischen Antwort Funktion (Hemodynamic Response Function, HRF) berechnet wird. Der BOLD Effekt kann als Folge von ETPs in bestimmten Hirnarealen mittels fMRT bestimmt werden. Man unterscheidet zwischen positiven und negativen BOLD-Antworten, wobei bereits bekannt ist, dass bei Erwachsenen vorwiegend positive BOLD-Antworten durch eine Zunahme von regionaler Hirnaktivität im Bereich der ETP-Generierung ausgelöst werden. Unsere Arbeitsgruppe hat die Technik des EEG-fMRTs an eine großen Gruppe von Kindern mit Epilepsie eingeführt und optimiert. Hierbei zeigten sich zwei Probleme: Zum einen ist die Sensitivität der Methode oft gering (50-70%), zum anderen zeigten unsere Daten - im Gegensatz zu Erwachsenen - häufig negative BOLD Effekte in dem Bereich, der für die Generation der ETPs verantwortlich war. Ziel unserer Studie war es deshalb, die Sensitivität der Technik durch Verbesserungen der HRF-Berechnungen zu erhöhen und das häufige Auftreten von negativen BOLD Effekten zu analysieren. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Gotman am Montreal Neurological Institute durchgeführt. Durch die Verwendung multipler HRFs konnte zunächst die Sensitivität unserer Methode auf 92% erhöht werden. Bei unseren Patienten wurden im Folgenden alle BOLD Antworten genau analysiert. Hierbei zeigte sich eine höhere intra- und interindividuelle Variabilität als zunächst vermutet. Aus diesem Grund war es nicht möglich, eine spezifische HRF für spezifische Epilepsieformen zu entwickeln. Daher wurden zunächst altersbedingte Unterschiede der HRFs analysiert. Dabei konnte festgestellt werden, dass negative HRFs signifikant später ihren Höhepunkt erreichen als positive HRFs. Dies ist überraschend, da zunächst vermutet wurde, dass im Kindesalter negative HRFs der Standard-HRF mehr ähneln als positive. Wir konnten feststellen, dass sehr junge Kinder unter 2 Jahren eine positive HRF zeigen, die signifikant später ihren Höhepunkt hat, als bei älteren Kindern. Dies mag ein Grund dafür sein, dass wir in diesem Alter wenige positive Antworten finden. Unsere Beobachtung machen deutlich, dass es gerechtfertigt ist, mehrere verschiedene HRFs bei der Analyse von kindlichen EEG-fMRTs zuzulassen. Vor allem bei sehr jungen Kindern sollten HRF mit späten Höhepunkten eingesetzt werden. Die Form der HRF jedoch kann nicht der einzige Grund für das häufige Auftreten von negativen BOLD Antworten im Kindesalter sein. In einem nächsten Schritt wurden weitere Faktoren, die unserer Untersuchungen von denen bei Erwachsenen unterschieden, untersucht, um ihren Einfluss auf den negativen BOLD Effekt zu bestimmen. Eine Entstehung des negativen BOLD durch sehr hohe Zahlen von ETPs, wie sie im Kindesalter häufig auftreten, konnte ausgeschlossen werden. Weiterhin konnten wir keinen Hinweis darauf finden, dass einzelne Antiepileptika oder eines der von uns verwendeten Sedierungsmedikamente diesen Effekt bedingen. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass das Ausmaß des negativen BOLD Effekts entscheidend durch die Schlafstadien bestimmt wird, in denen sich die Kinder während der Untersuchung befinden. Unterschiedliche BOLD Effekte könnten also durch Vigilanz und Schlaf-Veränderungen hervorgerufen werden. Diese Ergebnisse stimmen mit neuen Untersuchungen anderer Gruppen überein, die zu der Hypothese führten, dass positive und negative BOLD Effekte durch das gleiche neurophysiologische Korrelat entstehen, jedoch abhängig vom Grundaktivitätszustand der Hirnregion zum Zeitpunkt der Aktivitätsveränderung.
