Zu nennen ist hier zunächst einmal die Magnetresonanztomografie (MRT), mit der sich nicht nur sehr hoch aufgelöst die anatomische Struktur des Gehirns und seiner verschiedenen Bereiche und Gewebe darstellen lässt, sondern als funktionelle MRT auch die Funktionsweise des Gehirns sichtbar gemacht werden kann. Man kann dem Gehirn also quasi bei der Arbeit zusehen. Aber auch neurophysiologische Verfahren mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung wie die Magnetenzephalografie (MEG) und die Elektroenzephalografie (EEG) erleben aufgrund neuer technischer Möglichkeiten eine Renaissance.
Jede der im Folgenden beschriebenen Methoden kann aber nur einzelne Facetten der Struktur und Funktion des Gehirns darstellen und weist dabei spezifische Vor- und Nachteile auf. Diese sind zum Teil technischer Natur, hängen aber auch mit der Ebene der neuronalen Verarbeitung zusammen, die durch die jeweilige Methode betrachtet wird.
Magnetresonanztomografie
Die MRT-Untersuchung liefert hochaufgelöste anatomische Schnittbilder des Gehirns, die ähnlich wie bei der Computertomografie (CT) von Computerprogrammen dreidimensional dargestellt werden können. Dabei ist die MR-Untersuchung vollkommen nicht-invasiv, das heißt, es werden keine radioaktiven Teilchen verwendet oder Kontrastmittel gespritzt. Die Methode beruht auf den magnetischen Eigenschaften der Protonen (Wasserstoffkerne) als Bestandteile der Wassermoleküle im Gewebe. Da sich der Wassergehalt und damit die Wirkung der Protonen im Bereich des starken MR-Magneten (üblich sind heute 1,5 oder 3 Tesla) in einzelnen Geweben unterscheidet, können im MR-Bild verschiedene Strukturen des Gehirns (graue Substanz, weiße Substanz, Ventrikel, luftgefüllte Hohlräume etc.) unterschieden und sichtbar gemacht werden. Die resultierenden Bilder dienen einerseits zur neuroradiologischen Diagnostik von pathologischen Veränderungen im Gehirn. Andererseits lassen sich mit geeigneten Messsequenzen und analytischen Verfahren aber auch die Dicke und Volumina der grauen und weißen Substanz im gesamten Gehirn oder in einzelnen Gehirnstrukturen bestimmen.
Auch wenn die MRT eine nicht-invasive Methode ist, müssen dennoch wegen des sehr starken Magnetfeldes wichtige Sicherheitsbestimmungen und Ausschlusskriterien eingehalten werden. So dürfen Personen mit Herzschrittmachern oder Implantaten aus Metall grundsätzlich nicht im MRT untersucht werden, es sei denn, die Implantate sind nicht magnetisch. Auch muss beachtet werden, dass kleinere Metallteile wie z. B. Münzen oder Kleidungsbestandteile und Accessoires aus Metall vorher abgelegt werden, weil sie sonst durch das starke Magnetfeld zu gefährlichen Geschossen beschleunigt oder stark erhitzt werden können.
Diffusion tensor imaging
Die diffusionsgewichtete Bildgebung („Diffusion tensor imaging, DTI“) im MRT misst die Diffusion der Wassermoleküle im Gewebe. Die Diffusion innerhalb von Faserverbindungen in der weißen Substanz ist nur quer entlang der Fasern wegen der sie umgebenden Myelinschicht möglich. Mit dieser Methode kann der dreidimensionale Verlauf der Nervenfasern im Gehirn und deren Integrität dargestellt werden.
Die gewonnenen strukturellen und anatomischen Daten dienen darüber hinaus als Basis für die Lokalisation und Interpretation der im Folgenden beschriebenen funktionellen Hirnmessungen.
Funktionelle MRT
Die funktionelle MRT (fMRT) ist eine Variante der MRT, mit der die Aktivierung von Gehirnbereichen während bestimmter Aufgaben oder Verarbeitungsprozesse dargestellt werden kann. Allerdings wird nicht direkt die neuronale Aktivität gemessen, sondern eine daraus resultierende Veränderung in der Sauerstoffsättigung des umliegenden Gewebes. An Hämoglobin gebundener Sauerstoff verändert die magnetischen Eigenschaften des Blutes und führt dadurch zu einer Abschwächung des MR-Signals. Deshalb spricht man vom Sauerstoff auch als endogenem Kontrastmittel und vom BOLD-Signal („Blood oxygenation level dependent“).
Als BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)-Signal bezeichnet man das von der Sauerstoffsättigung des Gewebes abhängige Signal, das man mit der funktionellen MRT aufzeichnet.
Es handelt sich dabei um ein indirektes Signal, das zudem wegen der zugrundeliegenden hämodynamischen Prozesse mit einer mehrsekündlichen Verzögerung auftritt, sodass die zeitliche Auflösung dieser Methode eher gering ist. Neuere, auf komplexen statistischen Verfahren basierende, analytische Methoden erlauben es dennoch, funktionelle und sogar kausale, d. h. sich gegenseitig induzierende Konnektivitätsmuster zwischen aktivierten Hirnregionen zu definieren. Bei der Nutzung der fMRT in der Altersforschung muss beachtet werden, dass das BOLD-Signal auf physiologischen Prozessen beruht, die u. a. von der Durchblutung des Gehirns abhängig sind. Es ist also zu prüfen, ob eventuelle Altersunterschiede in der Aktivierung im Gehirn tatsächlich auf neuronalen Aktivitätsunterschieden beruhen oder etwa auf altersbedingten Veränderungen der Hämodynamik.
Arterial Spin Labeling
Eine neue Entwicklung der letzten Jahre stellt das Arterial Spin Labeling (ASL) dar. Mit ASL kann nachvollzogen werden, zu welchem Zeitpunkt eines Verarbeitungsprozesses wohin im Gehirn Blut fließt und damit Energie verbraucht wird. Zu diesem Zweck werden die Wasserstoffatome in einer zum Gehirn führenden Arterie durch einen magnetischen Impuls ausgerichtet und dann gemessen, wann und wo im Gehirn diese „markierten“ Wasserstoffatome ankommen.
Zu den bildgebenden Verfahren gehören weiterhin die Positronen-Emissionstomografie (PET) und die Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS).
Positronen-Emissions-Tomografie
Mit PET steht eine weitere Methode zur Verfügung, mit der Stoffwechselprozesse sichtbar gemacht werden können, die als Grundlage für die Funktionsweise des Gehirns angesehen werden können. Hierzu werden in der Regel intravenös kurzlebige, schwach radioaktive Substanzen injiziert, die sich in bestimmten Zielregionen des Gehirns anreichern. Beim Zerfall dieser Substanzen entstehen Positronen, die im PET-Scanner aufgefangen werden und daher ein Rückschluss auf den Ort ihres Zerfalls möglich ist. Verwendet werden zum Beispiel radioaktive Zuckermoleküle, die sich in funktionell aktiven Gehirnbereichen akkumulieren. Es gibt aber auch sogenannte spezifische Tracer für einzelne Neurotransmitter wie Dopamin oder Acetylcholin oder deren Rezeptoren. So kann mit dieser Methode die Wirkungsweise und Aktivität dieser Neurotransmitter und Rezeptoren oder die Wirkung bestimmter Medikamente untersucht werden.
Nah-Infrarot-Spektroskopie
Wie die fMRT nutzt NIRS den Zusammenhang zwischen neuronaler Aktivität und Blutfluss bzw. Sauerstoffsättigung. Allerdings werden hier nicht Unterschiede in den magnetischen Eigenschaften des Gewebes sichtbar gemacht, sondern Differenzen in der Lichtabsorption von sauerstofffreiem und -gesättigtem Hämoglobin. Hierzu wird der Schädel mit Nahinfrarotlicht mittels eines Lasers oder einer Leuchtdiode als Lichtquelle bestrahlt. Dieses Licht dringt 1 – 2 Zentimeter in das Gehirn ein und wird zum Teil vom Hämoglobin absorbiert. Nicht absorbierte Lichtteilchen wandern weiter und treten an anderer Stelle wieder aus dem Schädel aus, wo sie mit lichtempfindlichen Sensoren gemessen werden. Da in aktiven Bereichen des Gehirns mehr sauerstoffreiches Blut benötigt und zugeführt wird, entspricht der Anteil des absorbierten Lichts der neuronalen Aktivierung im Gewebe. Nachteil dieser Methode ist neben einer eher geringen räumlichen Auflösung von mehreren Zentimetern die geringe Eindringtiefe des Lichts in das Gehirn. Dadurch ist die Methode nur geeignet, neuronale Aktivität in den äußeren Schichten des Gehirns sichtbar zu machen. Zu den Vorteilen zählt demgegenüber, dass die Methode mittlerweile unter sehr realitätsnahen Bedingungen und sogar während der Bewegung angewendet werden kann.
EEG und MEG
Im Gegensatz zu fMRT, PET oder NIRS, die die Aktivität des Gehirns indirekt über die Messung von Stoffwechselaktivität messen, lässt sich mit der Elektroenzephalografie (EEG) und der Magnetenzephalografie (MEG) die elektrische bzw. magnetische Aktivität von Nervenzellen im Gehirn direkt beobachten.