Titelaufnahme

Funktionelle Magnetresonanz-Bildgebung (fMRI) ist heutzutage eine der wichtig- sten neurologischen Bildgebungstechniken. Diese Methode basiert auf dem en- dogenen Blood Oxygenation Level Dependant (BOLD) Kontrast und wird für zahlreiche Applikationen in der grundlegenden und angewandten Neurowis- senschaft eingesetzt. Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nichtinvasives und schmerzfreies Verfahren, das die Manipulation neuronaler Gewebe zu genau definierten Zeit- punkten ermöglicht. TMS ist nicht nur ein effizientes Instrument für die Gehirn- forschung, sondern wird auch zu therapeutischen Zwecken bei psychiatrischen Störungen eingesetzt. Studien mit gleichzeitiger fMRI und TMS bieten die Möglichkeit lokale TMS- induzierte Änderungen der kortikalen Erregbarkeit direkt zu beobachten. Die Kombination dieser beiden Methoden könnte dabei behilflich sein, offene Fra- gen in Bezug auf den TMS Mechanismus und die kausalen Aspekte bei neu- ronalen Netzwerken zu klären. Aus diesen Gründen ist das Interesse an kom- binierten TMS/fMRI Studien in den letzten Jahren stark gestiegen. Dennoch sind gleichzeitige TMS/fMRI Experimente mit vielen Herausförderun- gen verbunden. Bis jetzt kamen dabei große "Birdcage" Hochfrequenzspulen (HF Spulen) zum Einsatz, um ausreichend Platz für die Platzierung des TMS- Geräts zwischen Kopf und HF Spule zu gewährleisten. Allerdings ist bei diesem Aufbau die Sensitivität der MR Messung aufgrund des grössen Abstands zwis- chen HF Spule und Gehirn sehr gering. Außerdem erweist sich die genaue Positionierung des TMS-Geräts als sehr schwierig und auch die Flexibilität bei der Platzierung ist stark eingeschränkt. Darüber hinaus, ist der Einsatz par- alleler Bildgebungsmethoden zur Verringerung der Messzeit mit einer "Bird- cage" HF Spule nicht möglich. Das erste Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Sensitivität von TM- S/fMRI Experimenten. Zu diesem Zweck, wurde eine dedizierte HF Spule en- twickelt, die zwischen dem TMS-Gerät und dem Kopf des Probanden platziert werden kann. Bei der entwickelten Hardware handelt es sich um eine Mehrkanalemp- fangsspule für 3 Tesla MR Systeme. Sowohl die Entwicklung und Evaluation dieser Spule, als auch die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen TMS und HF Spule stellen den Hauptinhalt dieser Dissertation dar. Als Proof-of-Concept Studie wurden schließlich gleichzeitige TMS/fMRI Mes- sungen am Motor Cortex mit der entwickelten HF Empfangsspule durchge- führt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen nicht nur eine Verbesserung der Sen- sitivität, sondern auch die Anwendbarkeit beschleunigter fMRI Akquisitions- methoden und die damit verbundene Erhöhung der räumlichen und zeitlichen Auflösung im Vergleich zum Standardmessaufbau. Außerdem wurden die Vorteile bezüglich der Positionierung des TMS-Geräts bei der Verwendung von Neu- ronavigation im MR Scanner bestätigt.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has become one of the most important neuroimaging techniques today. It is based on endogenous Blood Oxygenation Level Dependant contrast (BOLD) and has found numerous applications in basic and applied neuroscience. Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive and painless tool to manipulate neuronal tissue at very well defined time points. This technique represents not only an efficient brain mapping tool, but is also used in the therapy of psychiatric disorders. Studies with simultaneous fMRI and TMS offer the possibility to directly study the effects of local TMS-induced alterations of cortical excitability. This combination could help answer unresolved questions concerning TMS mechanisms and causality aspects in neuronal networks studies. Therefore, there has been an increased interest in studies applying concurrent TMS and fMRI. However, simultaneous TMS/fMRI experiments are faced by significant challenges. So far they were performed using rather large birdcage RF head coils to provide adequate space for positioning of the TMS system between head and RF coil. Such a setup results in poor sensitivity for the MRI experiment due to the large distance between brain and RF coil. Using such a setup, positioning of the TMS coil is a very cumbersome task and there is little flexibility for the TMS placement. Furthermore, these RF coils cannot profit of the new advanced parallel imaging techniques to reduce scanning time. The primary aim of this work was to improve the sensitivity of TMS/fMRI experiments. For this purpose, a dedicated radio frequency (RF) coil array was developed that can be placed between the TMS device and the subject's head. The developed hardware was designed as a receive-only coil array for 3 Tesla systems. Development and testing of this coil array, as well as interactions between TMS and the RF coil represent the core topics of this thesis. Finally, as proof of concept, a concurrent TMS/fMRI study over motor cortex was realized using the new receive coil array. The results of this study show not only a boost in sensitivity, but also the applicability of accelerated fMRI acquisition strategies and, thus, high spatial and temporal resolution compared to the standard setup. In addition, advantages regarding coil positioning by combination with online neuronavigation were verified.