Advances in proton MR spectroscopy for quantifying pain associated metabolic changes in the human brain

Gussew, Alexander GND

In this work non-invasive in vivo detection of excitatory neurotransmitter glutamate andother cortical metabolites and their changes in the presence of acute and chronic pain wasperformed in the human brain with proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS).This information can be used to better understand biochemical processes of cerebral painprocessing. Following introductory material, the first part of this thesis describes theimplemented method for post-processing of MR spectroscopic data to estimate absoluteconcentrations of the brain metabolites by considering the heterogeneous tissue compositionin the spectroscopic voxel. Phantom and in vivo brain studies demonstrated theadvantage of this method by reduced inter-individual variation of calculated metabolicconcentrations as well as enhanced quantitation accuracy. The second part of this workpresents the implemented method for the stimulus triggered data sampling permittingthe acquisition of in vivo 1H-MR spectra with a time resolution of few seconds. It wasshown that this method enables detection of changes of the neurotransmitter glutamateinduced by short acute pain stimuli. Considering these data, it was possible to characterisechanges of the glutamatergig neurotransmission associated with the sensation ofthe acute pain. The third part describes in vivo measurements on chronic pain patientsand healthy controls aiming to evaluate the changes of several brain metabolites in thedifferent cerebral pain processing regions associated with chronic pain. Patients revealeddecreased concentrations of the metabolic cell density markers and neurotransmitters indicatingthe degenerative processes as well as neurotransmitter dysfunctions, respectively.Results of this thesis indicate that pain induced metabolic changes in the human brainare traceable with the 1H-MRS by using experimental environment as it is used in clinicalroutine. This offers a broad spectrum of further applications aiming to explore thecerebral pain processing as well as to improve the specificity of the diagnostic assessmentof the chronic pain disease.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung der Protonenmagnetresonanzspektroskopie(1H-MRS) zum nicht invasiven Nachweis von schmerzinduzierten Änderungen des erregenden Neurotransmitters Glutamat sowie anderer Metaboliten im menschlichen Gehirn. Diese Informationen könnten zu einem tieferen Verständnis der biochemischen Prozesse während der zerebralen Schmerzverarbeitung beitragen. Nach einer kurzen Einführung in die Problematik der Schmerzforschung sowie in die Grundlagen der MRSTechnikwird eine im Rahmen dieser Arbeit implementierte Methode zur Berechnung absoluter Metabolitenkonzentrationen unter Berücksichtigung der heterogenen Gewebezusammensetzung im spektroskopischen Volumen beschrieben. Der Vorteil dieses Verfahrens in Bezug auf die Verbesserung der Quantifizierungsgenauigkeit wird anhand von Ergebnissen spektroskopischer Messungen in einem Phantom sowie in Gehirnen gesunder Probanden belegt. Der zweite Teil befasst sich mit der Implementierung einer Technik zur reizgetriggerten Akquisition von MR Spektren, welche eine Abtastung verschiedener Stimulationszustände mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Sekunden zulässt und somit die Detektion dynamischer Änderungen von Metaboliten im Gehirn ermöglicht. Durch die Anwendung dieser Methode bei Messungen an gesunden Probanden konnten Änderungen im Glutamatstoffwechsel infolge einer Stimulation mit kurzen akuten Schmerzreizen nachgewiesen werden. Im dritten Teil der Arbeit wird schließlich eine an gesunden Probanden und Patienten mit chronischen Schmerzen durchgeführte Studievorgestellt, innerhalb derer die Auswirkungen der Schmerzchronifizierung auf den Metabolismus in schmerzverarbeitenden kortikalen Regionen untersucht wurden. Die Ergebnisse dieser Studie belegen die Hypothese, dass chronischer Schmerz mit Veränderungen imNeurotransmitterstoffwechsel sowie mit degenerativen Prozessen auf zellulärer Ebene einhergeht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es mit der 1H-MRS möglich ist, schmerzinduzierte Änderungen der Metaboliten im menschlichen Gehirn unter Verwendung von klinischen Standartverfahren zu quantifizieren. Dies wiederum eröffnet ein breites Feld für weitere Untersuchungen, welche zur Erforschung der zerebralen Schmerzverarbeitung sowie zur Verbesserung der Spezifität diagnostischer Verfahren bei chronischen Schmerzen beitragen könnten.

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Gussew, Alexander: Advances in proton MR spectroscopy for quantifying pain associated metabolic changes in the human brain. 2011.

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