TUM
Klinikum rechts der Isar Technische Universität München
Neuro-Kopf-Zentrum
Abteilung für Neuroradiologie


Forschungsgruppen und Projekte

 

Neuroscientific MR-Physics




 

Leitung

Mitarbeiter

Stephan Kaczmarz;
Ronja Berg;
Dr. Mario Eduardo Archila-Meléndez;
Dr. Jens Göttler;
Lena Schmitzer;
Jan Kufer;
Gabriel Hoffmann

Kurzbeschreibung

Die Magnetresonanztomographie (MRT) bietet nicht nur räumlich hochaufgelöste strukturelle Bilder sondern ist auch sensitiv für eine Vielzahl funktionell relevanter physiologischer Informationen. Die Grundlage dafür bildet der Einfluss physiologischer Parameter auf das Relaxationsverhalten der gemessenen Kernspins. Der Einfluss der vaskulären Sauerstoffsättigung auf T2*-gewichtete Signale (blood oxygenation level dependent (BOLD) Effekt) wird seit seiner Entdeckung intensiv für neuro­wissenschaftliche Studien genutzt. Die Quantifizierung des BOLD Effekts und weiterer physiologischer Parameter wie z.B. des Blutflusses oder der mikrokapillären Durchblutung (Perfusion) bietet hervorragende Möglichkeiten, um sowohl pathologische als auch normale physiologische Prozesse zu erforschen. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich hauptsächlich mit der Weiterentwicklung innovativer quantitativer MRT Methoden, insbesondere im Bereich der funktionellen Bildgebung im weitesten Sinne, aber auch im Hinblick auf fortgeschrittene strukturelle Parameter, z.B. zur Kartierung der magnetischen Suszeptibilität und des Myelin-Wasser Anteils. Aktuell stehen Methoden zur Charakterisierung der zerebrovaskulären Integrität und Reaktivität sowie zur Quantifizierung der zerebralen Sauerstoffmetabolismusrate im Vordergrund. Diese wenden wir sowohl in klinischen als auch in neurowissenschaftlichen Studien an. Im Rahmen eines zentralen DFG-geförderten Projektes entwickeln wir in Kooperation mit PD Dr. Christian Sorg Methoden zur Modellierung und Kalibrierung der Ruhe-fMRT, um tiefergehende Einblicke in die Physiologie neuronaler Aktivität zu gewinnen.

Summary

In addition to high spatial resolution brain structural imaging, magnetic resonance imaging (MRI) offers a wide variety of functionally relevant information. The basis for this additional information is the influence of physiological parameters (e.g., changes in cerebral blood flow, CBF) on the relaxation behavior of the measured nuclear spins. Since its discovery, the influence of venous oxygen saturation on T2*-weighted signals (i.e., blood oxygenation level dependent (BOLD) effect) has been used intensively for neuroscientific research, specifically for localizing brain functions. The quantification of the BOLD effect and other physiological parameters such as cerebral blood volume (CBV) or microcapillary blood flow (perfusion, CBF) offers excellent opportunities to explore both pathological as well as physiological neural processes. Our research group deals mainly with the further development of innovative quantitative MRI methods, specifically in the areas of functional brain imaging in the broader sense, but also with regard to advanced structural parameters, e.g., for mapping magnetic susceptibility and the myelin-water content. Currently, the focus is on methods for characterizing cerebrovascular integrity and reactivity as well as for quantifying the cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2). We also apply these methods in clinical and neuroscientific studies. Within a central, DFG-funded project in cooperation with PD Dr. Christian Sorg, we are developing methods for the calibration and modelling of resting-state functional MRI with the aim to gain deeper insights into the physiology of neural activity.


Kooperation

  • PD Dr. Carl Ganter; Prof. Dr. Dimitrios Karampinos (Zentrum für Radiologie, TUM);
  • Prof. Dr. Mark Mühlau (Neurologische Klinik und Poliklinik, TUM);
  • Prof. Dr. Markus Ploner (Neurologische Klinik und Poliklinik, TUM);
  • Prof. Dr. Björn Menze (Lehrstuhl für Informatikanwendungen in der Medizin & Augmented Reality, TUM);
  • PD Dr. Marion Menzel (GE Global Research & Privatdozentin am Physik-Department, TUM);
  • Prof. Dr. Fahmeed Hyder (Yale School of Engineering & Applied Science, USA);
  • Dr. Jan Petr (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf);
  • Dr. Irene Vavasour (Djavad Mowafahian Centre for brain health, Vancouver, Kanda);
  • Prof. Dr. Nikolaus Weiskopf, Dr. Tobias Leutritz (MPI für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig);
  • Prof. Dr. Matthias van Osch (Leiden University, The Netherlands);
  • Prof. Dr. Kim Mouridsen, Dr. Mikkel Bo Hansen (Aarhus University, Denmark);
  • Dr. Andreas Hock, Dr. Hendrik Kooijman, Dr. Kim Van de Ven, Dr. Jakob Meineke, Dr. Makoto Obara, Mariya Doneva, Thomas Amthor (Philips Healthcare);
  • Prof. Dr. Ralf Deichmann, Dr. Alexander Seiler (Brain Imaging Center, Universität Frankfurt)

Förderung

DFG PR 1039/6-1;
Else Kröner-Fresenius-Stiftung;
Dr.-Ing. Leonhard- Lorenz-Stiftung SK 971/19

Twitter

@NMRMgroup


 

Ausgewählte Publikationen

Kaczmarz S, Göttler J, Zimmer C, Hyder F, Preibisch C Characterizing white matter fiber orientation effects on multi-parametric quantitative BOLD assessment of oxygen extraction fraction. J Cereb Blood Flow Metab. 2019 Apr 5:271678X19839502. doi: 10.1177/0271678X19839502. [Epub ahead of print] PMID: 30952200

Huber T, Rotkopf L, Wiestler B, Kunz WG, Bette S, Gempt J, Preibisch C, Ricke J, Zimmer C, Kirschke JS, Sommer WH, Thierfelder KM. Wavelet-based reconstruction of dynamic susceptibility MR-perfusion: a new method to visualize hypervascular brain tumors. Eur Radiol. 2019 May;29(5):2669-2676. doi: 10.1007/s00330-018-5892-2. Epub 2018 Dec 14. PMID: 30552476

Göttler J, Kaczmarz S, Kallmayer M, Wustrow I, Eckstein HH, Zimmer C, Sorg C, Preibisch C, Hyder F. Flow-metabolism uncoupling in patients with asymptomatic unilateral carotid artery stenosis assessed by multi-modal magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab. 2019 Nov;39(11):2132-2143. doi: 10.1177/0271678X18783369. Epub 2018 Jul 3. PMID: 29968499

Hedderich D, Kluge A, Pyka T, Zimmer C, Kirschke JS, Wiestler B, Preibisch C. Consistency of normalized cerebral blood volume values in glioblastoma using different leakage correction algorithms on dynamic susceptibility contrast magnetic resonance imaging data without and with preload. J Neuroradiol. 2019 Feb;46(1):44-51. doi: 10.1016/j.neurad.2018.04.006. Epub 2018 May 21.

Göttler J, Preibisch C, Riederer I, Pasquini L, Alexopoulos P, Bohn KP, Yakushev I, Beller E, Kaczmarz S, Zimmer C, Grimmer T, Drzezga A, Sorg C. Reduced blood oxygenation level dependent connectivity is related to hypoperfusion in Alzheimer's disease. J Cereb Blood Flow Metab. 2019 Jul;39(7):1314-1325. doi: 10.1177/0271678X18759182. Epub 2018 Feb 12. PMID: 29431005

Kaczmarz S, Griese V, Preibisch C, Kallmayer M, Helle M, Wustrow I, Petersen ET, Eckstein HH, Zimmer C, Sorg C, Göttler J. Increased variability of watershed areas in patients with high-grade carotid stenosis. Neuroradiology. 2018 Jan 3. doi: 10.1007/s00234-017-1970-4. [Epub ahead of print]

Riederer, I., Bohn, K. P., Preibisch, C., Wiedemann, E., Zimmer, C., Alexopoulos, P., & Förster, S. (2018). Alzheimer Disease and Mild Cognitive Impairment: Integrated Pulsed Arterial Spin-Labeling MRI and 18F-FDG PET. Radiology, 288(1), 198–206. doi:10.1148/radiol.2018170575 PMID 29762090.

Beissner, F., Preibisch, C., Schweizer-Arau, A., Popovici, R. M., & Meissner, K. (2018). Psychotherapy With Somatosensory Stimulation for Endometriosis- Associated Pain: The Role of the Anterior Hippocampus. Biological psychiatry, 84(10), 734–742. doi:10.1016/j.biopsych.2017.01.006 PMID 28258747.

Beller, E., Reuter, L., Kluge, A., Preibisch, C., Lindauer, U., Bogdanov, A., … Gersing, A. S. (2018). Pilot study to assess visualization and therapy of inflammatory mechanisms after vessel reopening in a mouse stroke model. Scientific reports, 8(1), 745. doi:10.1038/s41598-017-17533-5 PMID 29335483.

Göttler, J., Kaczmarz, S., Nuttall, R., Griese, V., Napiórkowski, N., Kallmayer, M., … Sorg, C. (2018). The stronger one-sided relative hypoperfusion, the more pronounced ipsilateral spatial attentional bias in patients with asymptomatic carotid stenosis. Journal of cerebral blood flow and metabolism : official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism, 271678X18815790. Advance online publication. doi:10.1177/0271678X18815790 PMID 30480463.

Preibisch C, Shi K, Kluge A, Lukas M, Wiestler B, Göttler J, Gempt J, Ringel F, Al Jaberi M, Schlegel J, Meyer B, Zimmer C, Pyka T, Förster S. Characterizing hypoxia in human glioma: A simultaneous multimodal MRI and PET study. NMR Biomed. 2017 Nov;30(11). doi: 10.1002/nbm.3775. Epub 2017 Aug 14.

Beissner F, Preibisch C, Schweizer-Arau A, Popovici RM, Meissner K. Psychotherapy With Somatosensory Stimulation for Endometriosis-Associated Pain: The Role of the Anterior Hippocampus. Biol Psychiatry. 2017 Jan 16. pii: S0006-3223(17)30038-0. doi:

Richter V, Helle M, van Osch MJ, Lindner T, Gersing AS, Tsantilas P, Eckstein HH, Preibisch C, Zimmer C. MR Imaging of Individual Perfusion Reorganization Using Superselective Pseudocontinuous Arterial Spin-Labeling in Patients with Complex Extracranial Steno-Occlusive Disease. AJNR Am J Neuroradiol. 2017 Apr;38(4):703-711. doi: 10.3174/ajnr.A5090. Epub 2017 Feb 9.

Göttler J, Lukas M, Kluge A, Kaczmarz S, Gempt J, Ringel F, Mustafa M, Meyer B, Zimmer C, Schwaiger M, Förster S, Preibisch C, Pyka T. Intra-lesional spatial correlation of static and dynamic FET-PET parameters with MRI-based cerebral blood volume in patients with untreated glioma. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2017 Mar;44(3):392-397. doi: 10.1007/s00259-016-3585-0. Epub 2016 Dec 2.

Wiestler B, Kluge A, Lukas M, Gempt J, Ringel F, Schlegel J, Meyer B, Zimmer C, Förster S, Pyka T, Preibisch C. Multiparametric MRI-based differentiation of WHO grade II/III glioma and WHO grade IV glioblastoma. Sci Rep. 2016 Oct 14;6:35142. doi: 10.1038/srep35142.

Trebeschi S, Riederer I, Preibisch C, Bohn KP, Förster S, Alexopoulos P, Zimmer C, Kirschke JS, Valentinitsch A. Diagnostic Potential of Pulsed Arterial Spin Labeling in Alzheimer's Disease. Front Neurosci. 2016 Apr 19;10:154. doi: 10.3389/fnins.2016.00154. eCollection 2016.

Kluge A, Lukas M, Toth V, Pyka T, Zimmer C, Preibisch C. Analysis of three leakage-correction methods for DSC-based measurement of relative cerebral blood volume with respect to heterogeneity in human gliomas. Magn Reson Imaging. 2016 May;34(4):410-21. doi: 10.1016/j.mri.2015.12.015. Epub 2015 Dec 17.

Preibisch C, Castrillón G JG, Bührer M, Riedl V. Evaluation of Multiband EPI Acquisitions for Resting State fMRI. PLoS One. 2015 Sep 16;10(9):e0136961. doi: 10.1371/journal.pone.0136961. eCollection 2015.

Gersing AS, Ankenbrank M, Schwaiger BJ, Toth V, Janssen I, Kooijman H, Wunderlich S, Bauer JS, Zimmer C, Preibisch C. Mapping of cerebral metabolic rate of oxygen using dynamic susceptibility contrast and blood oxygen level dependent MR imaging in acute ischemic stroke. Neuroradiology. 2015 Dec;57(12):1253-61. doi: 10.1007/s00234-015-1592-7. Epub 2015 Sep 12.

Hirsch NM, Toth V, Förschler A, Kooijman H, Zimmer C, Preibisch C. Technical considerations on the validity of blood oxygenation level-dependent-based MR assessment of vascular deoxygenation. NMR Biomed. 2014 Jul;27(7):853-62. doi: 10.1002/nbm.3131. Epub 2014 May 9.

Tóth V, Förschler A, Hirsch NM, den Hollander J, Kooijman H, Gempt J, Ringel F, Schlegel J, Zimmer C, Preibisch C. MR-based hypoxia measures in human glioma. J Neurooncol. 2013 Nov;115(2):197-207. doi: 10.1007/s11060-013-1210-7. Epub 2013 Aug 7.

Hirsch NM, Preibisch C. T2* mapping with background gradient correction using different excitation pulse shapes. AJNR Am J Neuroradiol. 2013 Jun-Jul;34(6):E65-8. doi: 10.3174/ajnr.A3021. Epub 2012 Jul 26.

Preibisch C, Sorg C, Förschler A, Grimmer T, Sax I, Wohlschläger AM, Perneczky R, Förstl H, Kurz A, Zimmer C, Alexopoulos P. Age-related cerebral perfusion changes in the parietal and temporal lobes measured by pulsed arterial spin labeling. J Magn Reson Imaging. 2011 Dec;34(6):1295-302. doi: 10.1002/jmri.22788. Epub 2011 Sep 23.

Alexopoulos P, Sorg C, Förschler A, Grimmer T, Skokou M, Wohlschläger A, Perneczky R, Zimmer C, Kurz A, Preibisch C. Perfusion abnormalities in mild cognitive impairment and mild dementia in Alzheimer's disease measured by pulsed arterial spin labeling MRI. Eur Arch Psychiatry Clin Neurosci. 2012 Feb;262(1):69-77. doi: 10.1007/s00406-011-0226-2. Epub 2011 Jul 24.

Baudrexel S, Volz S, Preibisch C, Klein JC, Steinmetz H, Hilker R, Deichmann R. Rapid single-scan T2*-mapping using exponential excitation pulses and image-based correction for linear background gradients. Magn Reson Med. 2009 Jul;62(1):263-8. doi: 10.1002/mrm.21971.

Preibisch C, Deichmann R. T1 mapping using spoiled FLASH-EPI hybrid sequences and varying flip angles. Magn Reson Med. 2009 Jul;62(1):240-6. doi: 10.1002/mrm.21969.

Preibisch C, Deichmann R. Influence of RF spoiling on the stability and accuracy of T1 mapping based on spoiled FLASH with varying flip angles. Magn Reson Med. 2009 Jan;61(1):125-35. doi: 10.1002/mrm.21776.

Preibisch C, Volz S, Anti S, Deichmann R. Exponential excitation pulses for improved water content mapping in the presence of background gradients. Magn Reson Med. 2008 Oct;60(4):908-16. doi: 10.1002/mrm.21730.


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