Sprachaktivierung im PET bei ischämischen Insulten und Hirntumoren

Zusammenfassung:

Die Störung neurologischer Funktionen bei Erkrankungen des zentralen Nervensystems drückt sich in den entsprechenden Netzwerken als Änderung des Aktivierungsmusters auf spezifische Aufgaben aus, die mittels funktioneller bildgebender Verfahren, z. B. Positronen-Emissions-Tomographie (PET) dargestellt werden können. Die Sprache als eine komplexe Hirnleistung beruht auf diesem Zusammenspiel eines verzweigten Netzwerkes, wobei Partialfunktionen in einzelnen Zentren lokalisiert und Leistungen nach ihrer Komplexität hierarchisch geordnet sind. Diese Spezialisierung einzelner Zentren und die Lateralisation integrativer Funktionen in die dominante (meist linke) Hemisphäre wird durch kollaterale und transkallosale Hemmung untergeordneter Strukturen im Netzwerk erreicht.

Bei Patienten nach Schlaganfall treten häufig aphasische Störungen auf, deren Ausgestaltung und Rückbildungsfähigkeit von der Lokalisation und Ausdehnung des Infarktes in der dominanten Hemisphäre geprägt ist. Für die Rückbildung der Ausfälle und für das Erreichen einer zufrieden stellenden Sprachfunktion ist der Erhalt bzw. die funktionelle Reintegration der oberen linken Temporalwindung wichtig; die Reaktivierung dieser Region in wiederholten PET-Aktivierungsstudien korrelierte zu einem günstigen Verlauf, während Aktivierungen in anderen eloquenten Arealen oder in kontralateralen Netzwerkanteilen zwar eine leichte Verbesserung einzelner Partialfunktionen, nie aber eine zufriedenstellende Sprachproduktion anzeigten.

Bei Patienten mit Tumoren in der linken Hemisphäre entwickeln sich Symptome langsamer als bei ischämischem Insult, so dass sich das Funktionsnetzwerk an die Läsion anpassen kann. Bei diesen Patienten fanden sich Verlagerungen der durch die Sprachtests aktivierten Areale in ipsilaterale Regionen außerhalb der bei normalen Probanden beanspruchten Zentren; es kam aber auch zu Verlagerung der Aktivierungen in kontralaterale homotope Areale. Insbesondere die Verlagerung der Aktivierung in die subdominante Hemisphäre war häufig bei Patienten mit Aphasie zu beobachten, wobei die Rechts-Links-Asymmetrie der Aktivierung im Kleinhirn mit dem Schweregrad der Aphasie korrelierte. Eine Verlagerung der Aktivierungsdominanz nach rechts konnte sich nach Operation des Tumors mit der Verbesserung der Sprachstörung wieder umkehren.

Sowohl intrahemisphärische als auch interhemisphärische Kompensationsmuster können durch Verminderung der kollateralen Hemmung von spezifischen Zentren auf andere Strukturen im Funktionsnetzwerk (Disinhibition) erklärt werden, wobei bei umschriebenen und langsamer entstehenden Läsionen ipsilaterale Regionen erweitert und verlagert werden, bei großen Defekten die transkallosale Hemmung vermindert und damit kontralaterale Areale aktiviert werden.

Abstract

Disturbance of neurologic function in disorders of the central nervous system is expressed as altered activation pattern in functional networks after specific tasks, and can be studied by functional imaging modalities, e.g. positron emission tomography (PET). Language, a complex brain function is based on the interplay of a distributed network in which partial functions are executed in various centers and tasks are hierarchically organized according to their complexity. The specialization of different centers and the lateralization of integrative functions into the dominant (usually left) hemisphere is achieved by collateral and transcallosal inhibition of structures of lower order in the network.

Patients with ischemic stroke often suffer from aphasia; the features and the prognosis of this disturbance is determined by the localization and the extent of the infarct in the dominant hemisphere. The preservation of the left superior temporal gyrus or its functional reintegration, respectively, is of utmost importance for the recovery of the deficits and for a satisfactory outcome. Reactivation of this region in repeated PET-activation studies were related to a favorable outcome, activation of other eloquent regions or of contralateral areas were accompanied by some improvements, but never indicated recovery of sufficient speech production.

Symptoms develop slowly in patients with tumors in the left hemisphere, and the functional network can adapt to the lesion. In these patients a dislocation of areas activated during language tasks was observed, either to ipsilateral regions usually not involved or to contralateral homotopic areas. Aphasia was frequent in cases with activation shift to the subdominant hemisphere, and the right over left asymmetry in activation of the cerebellum was correlated to the severity of language impairment. The shift of dominance in activation could be reversed after surgical resection of the tumor leading to improved speech performance.

The patterns of intrahemispheric as well as interhemispheric compensation may be explained by reduction of collateral inhibition of specific centers on other structures within the network (disinhibition): circumscript and/or slowly developing lesions disinhibit surrounding areas leading to increases and to displacements of activated centers; large morphological defects reduce the transcallosal inhibition leading to the activation of contralateral regions.

Schlüsselwörter:

Sprachaktivierung - PET - Hirndurchblutung - Glukosestoffwechsel - ischämischer Insult - Hirntumoren

Key words:

Language activation - PET - blood flow - glucose metabolism - ischemic stroke - tumor

Literatur

• 1 Aboitiz F. Brain connections: interhemispheric fiber systems and anatomical brain asymmetries in humans.  Biol Res. 1992;  25 51-61
• 2 Binder J R. Neuroanatomy of language processing studied with functional MRI.  Clin Neurosci. 1997;  4 87-94
• 3 Cabeza R, Nyberg L. Imaging cognition II: An empirical review of 275 PET and fMRI studies.  J Cogn Neurosci. 2000;  12 1-47
• 4 Chollet F, Weiller C. Imaging recovery of function following brain injury.  Curr Opin Neurobiol. 1994;  4 226-230
• 5 Conti F, Manzoni T. The neurotransmitters and postsynaptic actions of callosally projecting neurons.  Behav Brain Res. 1994;  64 37-53
• 6 Cowan W M, Fawcett J W, O'Leary D D, Stanfield B B. Regressive events in neurogenesis.  Science. 1984;  225 1258-1265
• 7 Ferbert A, Priori A, Rothwell J C, Day B L, Colebatch J G, Marsden C D. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex.  J Physiol. 1992;  453 525-546
• 8 Fernandez G, de Greiff A, von Oertzen J, Reuber M, Lun S, Klaver P, Ruhlmann J, Reul J, Elger C E. Language mapping in less than 15 minutes: real-time functional MRI during routine clinical investigation.  Neuroimage. 2001;  14 585-594
• 9 Frackowiak R SJ. Functional mapping of verbal memory and language.  Trends Neurosci. 1994;  17 109-115
• 10 Galaburda A M, Rosen G D, Sherman G F. Individual variability in cortical organization: its relationship to brain laterality and implications to function.  Neuropsychologia. 1990;  28 529-546
• 11 Heiss W-D, Kessler J, Karbe H, Fink G R, Pawlik G. Cerebral glucose metabolism as a predictor of recovery from aphasia in ischemic stroke.  Arch Neutrol. 1993;  50 958-964
• 12 Heiss W-D, Kessler J, Thial A, Ghaemi M, Karbe H. Differential capacity of left and right hemispheric areas for compensation of poststroke aphasia.  Ann Neurol. 1999;  45 430-438
• 13 Herholz K, Heiss W-D. Functional imaging correlates of recovery after stroke in humans.  J Cereb Blood Flow Metab. 2000;  20 1619-1631
• 14 Herholz K, Reulen H J, von Stockhausen H M, Thiel A, Ilmberger J, Kessler J, Eisner W, Yousry T A, Heiss W-D. Preoperative activation and intraoperative stimulation of language-related areas in patients with glioma.  Neurosurgery. 1997;  41 1253-1260
• 15 Herholz K, Thiel A, Wienhard K, Pietrzyk U, von Stockhausen H M, Karbe H, Kessler J, Bruckbauer T, Halber M, Heiss W-D. Individual functional anatomy of verb generation.  Neuroimage. 1996;  3 185-194
• 16 Innocenti G M. Some new trends in the study of the corpus callosum.  Behav Brain Res. 1994;  64 1-8
• 17 Karbe H, Herholz K, Halber M, Heiss W-D. Collateral inhibition of transcallosal activity facilitates functional brain asymmetry.  J Cereb Blood Flow Metab. 1998;  18 1157-1161
• 18 Karbe H, Herholz K, Szelies B, Pawlik G, Wienhard K, Heiss W-D. Regional metabolic correlates of Token test results in cortical and subcortical left hemispheric infarction.  Neurology. 1989;  39 1083-1088
• 19 Karbe H, Kessler J, Herholz K, Fink G R, Heiss W-D. Long-term prognosis of poststroke aphasia studied with positron emission tomography.  Arch Neurol. 1995;  52 186-190
• 20 Karbe H, Thiel A, Weber-Luxenburger G, Herholz K, Kessler J, Heiss W-D. Brain plasticity in poststroke aphasia: what is the contribution of the right hemisphere?.  Brain Lang. 1998;  64 215-230
• 21 Karbe H, Würker M, Herholz K, Ghaemi M, Pietrzyk U, Kessler J, Heiss W-D. Planum temporale and Brodmann's area 22. Magnetic resonance imaging and high-resolution positron emission tomography demonstrate functional left-right asymmetry.  Arch Neurol. 1995;  52 869-874
• 22 Kertesz A. What do we learn from recovery from aphasia?. In: Waxman SG (Hrsg). Functional Recovery in Neurological Disease Raven Press, New York 1988: 277-292
• 23 Kessler J, Thiel A, Karbe H, Heiss W-D. Piracetam improves activated blood flow and facilitates rehabilitation of poststroke aphasic patients.  Stroke. 2000;  31 2112-2116
• 24 Kimura D. Functional asymmetry of the brain in dichotic listening.  Cortex. 1967;  3 163-178
• 25 Metter E J. Neuroanatomy and physiology of aphasia: evidence from positron emission tomography.  Aphasiology. 1987;  1 3-33
• 26 Müller R A, Rothermel R D, Behen M E, Muzik O, Mangner T J, Chakraborty P K, Chugani H T. Brain organization of language after early unilateral lesion: a PET study.  Brain Lang. 1998;  62 422-451
• 27 Naeser M A, Gaddie A, Palumbo C L, Stiassny-Eder D. Late recovery of auditory comprehension in global aphasia. Improved recovery observed with subcortical temporal isthmus lesion vs Wernicke's cortical area lesion.  Arch Neurol. 1990;  47 425-432
• 28 Netz J, Ziemann U, Homberg V. Hemispheric asymmetry of transcallosal inhibition in man.  Exp Brain Res. 1995;  104 527-533
• 29 Nudo R J, Wise B M, SiFuentes F, Milliken G W. Neural substrates for the effects of rehabilitative training on motor recovery after ischemic infarct.  Science. 1996;  272 1791-1794
• 30 Raichle M E. Imaging the mind.  Semin Nucl Med. 1998;  28 278-289
• 31 Selnes O A. The ontogeny of cerebral language dominance.  Brain Lang. 2000;  71 217-220
• 32 Selnes O A, Knopman D S, Niccum N, Rubens A B. The critical role of Wernicke's area in sentence repetition.  Ann Neurol. 1985;  17 549-557
• 33 Sperry R. Consciousness, personal identity, and the divided brain. In: Leporé F, Ptito M, Jasper HH (Hrsg). Two Hemispheres - One Brain. Functions of the Corpus Callosum Alan R Liss, New York 1986: 3-20
• 34 Steinmetz H, Volkmann J, Jancke L, Freund H J. Anatomical left-right asymmetry of language-related temporal cortex is different in left- and right-handers.  Ann Neurol. 1991;  29 315-319
• 35 Thiel A, Herholz K, Koyuncu A, Ghaemi M, Kracht L, Habedank B, Heiss W-D. Plasticity of language networks in patients with brain tumors: A PET activation study.  Ann Neurol. 2001;  50 620-629
• 36 Thiel A, Herholz K, von Stockhausen H M, Leyen-Pilgram K, Pietrzyk U, Kessler J, Wienhard K, Klug N, Heiss W-D. Localization of language-related cortex with 15O-labeled water PET in patients with gliomas.  Neuroimage. 1998;  7 284-295
• 37 Weiller C, Isensee C, Rijntjes M, Huber W, Müller S, Bier D, Dutschka K, Woods R P, Noth J, Diener H C. Recovery from Wernicke's aphasia: a positron emission tomographic study.  Ann Neurol. 1995;  37 723-732