- Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) gilt seit Langem als zentrales Werkzeug zur Messung von Gehirnaktivität, doch eine neue Studie stellt die Genauigkeit ihrer Interpretation grundlegend infrage
- Die Ergebnisse zeigen, dass zwischen den per MRI gemessenen Veränderungen der Sauerstoffkonzentration und der tatsächlichen neuronalen Aktivität im Allgemeinen kein gültiger Zusammenhang besteht
- In Experimenten nahm das fMRI-Signal in rund 40 % der Fälle zu, obwohl die Gehirnaktivität abnahm; umgekehrt wurde auch beobachtet, dass das Signal sank, während die Aktivität anstieg
- Das Gehirn deckt seinen Energiebedarf offenbar, indem es Sauerstoff aus dem vorhandenen Blut effizienter extrahiert, anstatt den Blutfluss zu erhöhen
- Diese Erkenntnisse markieren einen wichtigen Wendepunkt für die Interpretation von Studien zu psychischen und neurologischen Erkrankungen sowie für die Entwicklung von Modellen auf Basis des Energiehaushalts des Gehirns
Zusammenbruch bisheriger Annahmen zur Interpretation von fMRI-Signalen
- Seit rund 30 Jahren ist fMRI ein Kernwerkzeug der Hirnforschung, doch Forschende von TUM und FAU haben gezeigt, dass seine Interpretation die tatsächliche neuronale Aktivität möglicherweise nicht widerspiegelt
- Die Studie wurde in Nature Neuroscience veröffentlicht
- Es wurde bestätigt, dass kein universeller Zusammenhang zwischen dem im MRI gemessenen Sauerstoffgehalt und neuronaler Aktivität besteht
- Die Experimente zeigten, dass ein Anstieg des fMRI-Signals in etwa 40 % der Fälle sogar mit einer Abnahme der Gehirnaktivität verbunden war
- Umgekehrt wurden auch Fälle gefunden, in denen ein Rückgang des Signals mit einer Zunahme der Aktivität übereinstimmte
- Damit wird deutlich, dass die bisherige Annahme „mehr Aktivität → mehr Blutfluss → Deckung des Sauerstoffbedarfs“ falsch ist
Versuchsdesign und Messmethode
- Das Forschungsteam ließ mehr als 40 gesunde Teilnehmende verschiedene Aufgaben ausführen, darunter mentales Rechnen und das Abrufen autobiografischer Erinnerungen
- Gleichzeitig wurde mit einer neuen quantitativen MRI-Technik der tatsächliche Sauerstoffverbrauch gemessen
- Die Ergebnisse unterschieden sich je nach Aufgabe und Hirnregion; dabei zeigte sich, dass ein Anstieg des Sauerstoffverbrauchs nicht zu einer Zunahme des Blutflusses führt
- So nahm etwa in für Rechenaufgaben zuständigen Regionen die Effizienz der Sauerstoffextraktion zu, ohne dass sich der Blutfluss veränderte
- Das heißt, das Gehirn deckt seinen Energiebedarf, ohne den Blutfluss zu erhöhen
Auswirkungen auf die Erforschung von Hirnerkrankungen
- Bisherige Studien, die Veränderungen des Blutflusses als Indikator für neuronale Aktivierung verwenden, müssen neu bewertet werden
- Dadurch stellt sich die Frage nach möglichen Fehlinterpretationen in der Forschung zu psychischen und neurologischen Erkrankungen wie Depression oder Alzheimer
- Besonders bei älteren Menschen oder Personen mit Gefäßerkrankungen, bei denen Gefäßveränderungen vorliegen, könnten die Messwerte eher vaskuläre Unterschiede als neuronale Defizite widerspiegeln
- Auch frühere Ergebnisse aus Tierstudien stützen diese Richtung
Vorschlag für einen neuen Analyseansatz
- Das Forschungsteam schlägt vor, den bisherigen MRI-Ansatz mit quantitativen Messungen zu kombinieren
- Das könnte künftig die Grundlage für energetisch basierte Modelle des Gehirns bilden
- Statt einfacher Aktivierungskarten wäre eine Weiterentwicklung hin zu Analysen möglich, die den tatsächlich für die Informationsverarbeitung verbrauchten Sauerstoff und Energieaufwand darstellen
- Damit eröffnet sich ein Weg, Veränderungen des Energiestoffwechsels bei Alterung, psychischen Erkrankungen und neurodegenerativen Krankheiten in absoluten Werten zu erfassen
Forschungshintergrund und Publikationsinformationen
- Die Studie wurde am Neuro-Head Center des TUM Universitätsklinikums durchgeführt
- Sie wurde durch einen Starting Grant des European Research Council (ERC) gefördert
- Artikel: BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex,
Nature Neuroscience, 12. Dezember 2025, DOI: 10.1038/s41593-025-02132-9
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