40 % der MRI-Signale stimmen nicht mit der tatsächlichen Gehirnaktivität überein

• 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

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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

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Ich habe früher bei einem BMI-Forschungs-Startup gearbeitet und dort mit teuren Geräten zur Messung neuronaler Signale wie EEG und fMRI zu tun gehabt
  Mir wurde schnell klar, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) so niedrig ist, dass Reproduzierbarkeit fast unmöglich ist
  Ich habe einmal eine Arbeit gesehen, die behauptete, mit Deep Learning aus fMRI-Signalen die von Menschen vorgestellten Bilder vorherzusagen, und als ich fragte: „Deep Learning findet doch selbst in zufälligem Rauschen Muster – ist das nicht Overfitting?“, bekam ich keine klare Antwort
  Einen Monat später erschienen dann Artikel nach dem Motto „KI liest jetzt Ihre Gedanken“, was ich absurd fand
  Wenn also jemand sagt „Achtsamkeit verändert die Gehirnwellen“, antworte ich oft: „Wenn das auf EEG-basierter Forschung beruht, ist das schwer vertrauenswürdig“
  Persönlich habe ich aber durchaus das Gefühl, dass es hilft

  • Es gibt auch mit EEG und fMRI viele vertrauenswürdige Studien
    Entscheidend ist, Bewegungen oder physiologisches Rauschen als primäre Probleme zu behandeln und strenge Kriterien für die Datenqualität anzulegen
    Die Schlussfolgerung zum Deep-Learning-Overfitting scheint zu stark verallgemeinert
  • EEG ist in einfachen Fällen wie Schlafphasenforschung oder Biofeedback durchaus nützlich
    Bei fMRI ist dagegen unklar, ob die Signalqualität dieses Niveau erreicht
  • Wenn bei Studien zur Bildvorhersage das Ergebnis statistisch über Zufall liegt, kann das an sich schon ein bedeutsames Resultat sein
    Wenn das Experiment sauber aufgebaut war, kann das auch ohne große fMRI-Kenntnisse ein interessantes Ergebnis sein
  • Das Problem des Signal-Rausch-Verhältnisses hat mit dem Thema des Artikels nichts direkt zu tun
    In dieser Arbeit wird behauptet, dass der Blutfluss selbst die Gehirnaktivität nicht sinnvoll widerspiegelt

• Ich erinnere mich, im Masterstudium eine Arbeit gelesen zu haben, in der bei einem toten Lachs statistisch signifikante Gehirnaktivität gemessen wurde
  Damals dachte ich: „Das ist Material für den Ig-Nobelpreis“

  • Diese Studie haben tatsächlich wir gemacht
    Sie zeigte, dass ohne angemessene statistische Korrektur bei fMRI falsch positive Ergebnisse auftreten können, und erhielt 2012 den Ig-Nobelpreis

• Als Softwareingenieur in diesem Bereich verstehe ich die aktuelle Studie als einen Versuch, das bestehende BOLD-Signal mit einer anderen MRI-Technik zu validieren
  Aber beide Verfahren durchlaufen mehrere statistische Annahmen und Verarbeitungsschritte, und dieser Prozess selbst enthält Unsicherheiten
  Zum Beispiel eine willkürliche Behandlung nach dem Muster „Wenn das Signal zu rau ist, glätten wir es mit einem Gaussian-Filter“
  Deshalb halte ich es für schwierig, eindeutig zu sagen: „Signal B zeigt, dass Signal A die tatsächliche Gehirnaktivität nicht widerspiegelt“
  In der Arbeit steht auch, dass mangels PET-Scanner stattdessen quantitative MRI verwendet wurde

  • In der Studie hieß es, dass fMRI-Signale in 40 % der Fälle mit der tatsächlichen Gehirnaktivität negativ korreliert (anticorrelation) seien; ich denke, auch solche Schlussfolgerungen könnten unter denselben Problemen leiden wie die allgemeinen Grenzen von fMRI
    Für eine echte Validierung müsste man das Experiment mit mehreren Modalitäten wie fMRI, PET usw. wiederholen
  • Die Aussage „Die Universität hat keinen PET-Scanner“ stimmt nicht
    Die TUM verfügt tatsächlich über PET-Geräte (Link)
  • In den meisten nichtklinischen Studien wird 15O-PET nicht verwendet
    Soweit ich weiß, wird es hauptsächlich für klinische Zwecke eingesetzt

• Ich erinnere mich noch, wie während meines Graduiertenstudiums an der UCSD Ed Vuls Arbeit „Voodoo Correlations in Social Neuroscience“ große Kontroversen auslöste
  Sie kritisierte übertriebene Korrelationen in der fMRI-Forschung, und der Titel wurde schließlich abgeschwächt veröffentlicht
  Vul war damals im ersten Jahr als Assistant Professor, und auf mich wirkte er wie ein brillanter Kopf, der ein ganzes Fachgebiet herausforderte
  Die zugehörigen Arbeiten und Kommentare finden sich hier, hier und hier

• Die meisten Kommentare in diesem Thread scheinen von Leuten ohne Bildgebungsexpertise zu stammen
  Vieles darin wirkt von populärwissenschaftlichen Artikeln beeinflusst
  Die Literatur existiert bereits, wer möchte, kann sie selbst nachschlagen

  • So etwas nur zu sagen hilft nicht weiter
    Es wäre besser, wenigstens ein paar Arbeiten oder Materialien zu nennen, auf die man sich beziehen kann
  • Wenn auf HN über das eigene Fachgebiet diskutiert wird, ist das oft schwer mit anzusehen
  • Wenn viele Kommentare falsch sind, wäre es hilfreicher, konkret zu benennen, was genau daran falsch ist
  • Aus meiner Erfahrung als fMRI-Patient kann ich sagen, dass im Befundbericht fMRI überhaupt nicht erwähnt wurde
    Mir wurde auch nicht erklärt, warum die Aufnahme gemacht wurde
  • Es gibt hier nur wenige Kommentare; statt einfach „Lest die Literatur“ zu sagen, wäre es besser gewesen, wenigstens ein oder zwei Missverständnisse zu korrigieren

• Das ist genau der Moment, an die fMRI-Studie mit dem toten Lachs zu denken (Link)
  fMRI wird schon lange wegen instabiler wissenschaftlicher Grundlagen kritisiert

  • Diese Studie zeigte eigentlich kein Problem nur von fMRI, sondern ein Phänomen, das bei jeder verrauschten Bildgebungstechnik auftreten kann, wenn keine statistische Korrektur erfolgt
    Heute gehören Korrekturen für multiples Testen wie Bonferroni oder FDR zum Standardverfahren
  • Die Studie von Bennett et al. als „Stanford-Studie“ zu bezeichnen, ist falsch
    Das eigentliche Poster kann man hier sehen
  • Die statistischen Verfahren in der fMRI haben sich stark weiterentwickelt, deshalb trifft die damalige Kritik heute nicht mehr unverändert zu
  • Daran musste ich auch sofort denken
    Mir war nicht klar, dass das schon so lange her ist

• Als verwandte Nachricht gibt es eine Studie, laut der Psychedelika die Kopplung zwischen Hirndurchblutung und neuronaler Aktivität stören
  Das stellt frühere Arbeiten infrage, die erhöhten Blutfluss im fMRI als erhöhte Gehirnaktivität interpretierten
  Link

  • In den 80ern, als MRI aufkam, dachte ich mit Blick auf die Stoned Ape Theory viel über den Zusammenhang von Blutfluss und Denkmustern nach
    In Wirklichkeit wurden aber oft einfache Faktoren wie Körperbewegungen oder physiologische Reaktionen ignoriert
    Wenn ich in Clubs Menschen im psychedelischen Zustand sah, hatte ich den Eindruck, dass ihr Gefäßsystem übermäßig aktiviert war
    Deshalb bin ich skeptisch gegenüber Behauptungen wie „Im psychedelischen Zustand ist die Konnektivität im Gehirn erhöht“

• In einem Forschungsprojekt im Bachelorstudium habe ich einmal fMRI-Analysen mit MapReduce und GPU beschleunigt (Link)
  Das war 2014, aber selbst heute hat sich daran nicht viel geändert

• Es ist gefährlich, fMRI- oder SPECT-Scans öffentlich als Diagnosewerkzeug für die Psychiatrie zu vermarkten
  Influencer-Ärzte wie Dr. Amen verkaufen Scans für Tausende Dollar, aber wegen der schwachen wissenschaftlichen Grundlage werden sie nicht einmal von Versicherungen gedeckt
  Wenn Gehirnbilder farbig eingefärbt gezeigt werden, halten Menschen sie leicht für wissenschaftlich verlässlich, aber das wirkt wie eine Art moderne Phrenologie ohne Eingriff (non-invasive phrenology)

  • Dr. Mike auf YouTube hat Amen interviewt; zunächst wirkte es empathisch, ging dann aber beim Thema wissenschaftliche Evidenz kritisch vor (Video)
  • Auch der fMRI-Vorfall mit dem toten Lachs von 2009 kommt mir wieder in den Sinn (Wired-Artikel)
  • Ich habe einmal einen Bericht von Amen gesehen, und die „Gehirnscan-Bilder“, die er Patienten gibt, waren im Grunde Vektorgrafiken auf MS-Paint-Niveau
  • Es gibt eine Studie dazu, dass schon allein Arbeiten mit Gehirnbildern als wissenschaftlich glaubwürdiger wahrgenommen werden (PubMed-Link)

• Als ich vor 30 Jahren im Cognitive Neurophysiology Lab gearbeitet habe, war all das bereits bekannt
  Vermutlich soll die aktuelle Arbeit das der breiten Öffentlichkeit noch einmal in Erinnerung rufen

  • fMRI ist selbst unter Fachleuten lange missbräuchlich verwendet worden
    Deshalb sollte diese Diskussion der Öffentlichkeit immer wieder vermittelt werden
  • Ich frage mich, ob eine erhöhte Hirndurchblutung auch aus anderen Gründen als neuronaler Aktivität auftreten kann
    Zum Beispiel durch Prozesse wie die Ausscheidung von Abfallstoffen
  • Die BOLD-Reaktion gilt in den Neurowissenschaften fast als Standardkonzept
    Natürlich gibt es auch Rätsel wie nichtneurale Faktoren oder negative Korrelationsreaktionen
  • Die Behauptung „Es gibt keine allgemeine Korrelation zwischen Sauerstoffkonzentration und neuronaler Aktivität“ wirkt übertrieben