Aus invasiven tierexperimentellen Arbeiten und Untersuchungen des humanen Kortex waehrend epilepsiechirurgischer Eingriffe durch Penfield und Mitarbeiter ist seit den 1930ern bekannt, dass die Koerperoberflaeche somatotop im primaeren somatosensorischen Kortex (SI) repraesentiert wird (sog. Somatosensorischer Homunculus). Die vorliegende Arbeit sollte einen Beitrag dazu liefern, Befunde zur Somatotopie nicht-invasiv zu erhalten, um perspektivisch klinische Untersuchungen, z.B. zur zerebralen Plastizitaet zu ermoeglichen. Es wurde die funktionelle Kernspintomographie (fMRT) eingesetzt, um den primaeren somatosensorischen Kortex (SI) beim Menschen nicht-invasiv zu untersuchen. Mittels elektrischer und nicht-schmerzhafter Stimulationen der Finger und Lippen wurden die Aenderungen der lokalen Blutoxygenierung (BOLD- Effekt) im primaeren somatosensorischen Kortex als Folge der neuronalen Aktivitaet mit der fMRT gemessen und untersucht. In der ersten Studie wurde die Frage untersucht, ob es einen Zusammenhang zwischen der elektrischen Stimulationsfrequenz am Finger und dem fMRT-Signal in SI gibt. Es konnten Aenderungen der Signalantwort kontralateral im Gyrus postcentralis in Abhaengigkeit von der elektrischen Stimulationsfrequenz (1, 3, 7 und 10 Hz) am rechten Zeigefinger gesehen werden. Die Steigerung der Stimulationsfrequenz von 1 Hz auf 3 Hz und 7 Hz fuehrte zu einer Zunahme des aktivierten Volumens und der Signalintensitaet. Wurde jedoch mit 10 Hz stimuliert, so kam es zu keiner weiteren signifikanten Zu- oder Abnahme der gemessenen Parameter im Vergleich zu 7 Hz. Diese Ergebnisse stimmten mit den Beobachtungen anderer Arbeitsgruppen ueberein, die weitere Methoden (SEP, PET, NIRS) angewandt und teilweise andere Spezies untersucht haben. Es laesst sich aus diesen uebereinstimmenden Befunden folgern, dass es ab einer Stimulationsfrequenz von 7 Hz entweder zu keiner weiteren Zunahme der integrierten neuronalen Aktivitaet oder zu einem Saettigungseffekt des BOLD-Signals in SI kommt. Aus diesen Ergebnissen folgt hinsichtlich der Methodik weiterer fMRT-Studien, die den primaeren somatosensorischen Kortex untersuchen, dass eine Stimulationsfrequenz von 7 Hz am effektivsten erscheint, da es zur groessten Signalzunahme in SI kommt. Im 2. und 3. Teil der Arbeit wurde die Frage untersucht, ob die elektrisch stimulierten Finger 2 und 5 sowie Daumen, Unter- und Oberlippe umschriebenen kortikalen Repraesentationsarealen in SI zugeordnet werden kuennen und wie diese zueinander angeordnet sind. Es konnte tatsaechlich mit der fMRT eine somatotope Anordnung der Repraesentationsareale der Finger 2 und 5 sowie von Daumen, Unter- und Oberlippe kontralateral in SI gezeigt werden. Die Repraesentation des zweiten Fingers war laterokaudal von der des fuenften Fingers angeordnet. Die Repraesentationsareale von Daumen, Ober- und Unterlippe konnten ebenfalls in einer somatotopen Abfolge von mediokranial nach laterokaudal entlang des Sulcus centralis dargestellt werden. In beiden Studien gab es jedoch bemerkenswerterweise jeweils einen Probanden mit einer umgekehrten somatotopen Abfolge der Repraesentationsareale, die als Normvariante interpretiert wurde. Die angrenzenden Repraesentationsareale waren teilweise nicht getrennt voneinander darstellbar sondern ueberlappten in vielen Faellen. Diese ueberlappende Darstellung der Repraesentationsareale in SI koennte zum einen durch die Methode bedingt sein, so waere es denkbar, dass die vaskulaere Reaktion auf neuronale Aktivitaet eine eingeschraenkte raeumliche Aufloesung hat, somit die ueberlappungen keine echten <> Phaenomene widerspiegeln. Ein anderer Grund koennte darin liegen, dass in der (in der fMRT gemessenen) vaskulaeren Antwort auch unterschwellige neuronale Aktivitaet sich widerspiegelt, welche bei vielen der invasiven neurophysiologischen Untersuchungen nicht gemessen wurde. Schliesslich ist aus tierexperimentellen, elektrophysiologischen Untersuchungen bekannt, dass sich insbesondere in den Areae 1 und 2 die rezeptiven Felder von benachbarten Fingern auch hinsichtlich ueberschwelliger neuronaler Aktivitaet ueberschneiden koennen. Ein weiterer Befunde, der sich in der Arbeit zeigte, war der Nachweis von mehreren voneinander differenzierbaren Aktivierungen im kontralateralen primaeren somatosensorischen Kortex. Diese liessen sich entweder der dorsalen Wand des Sulcus centralis oder der Kuppe des Gyrus postcentralis zuordnen. Diese multiplen Aktivierungen entsprechen deswegen vermutlich den cytoarchitektonisch definierten Arealen 3b und 1/2. Aus tierexperimentellen Untersuchungen ist jeweils eine eigene somatotope Repraesentation der Koerperoberflaeche in den Arealen 3b und 1, zum Teil auch aus Area 2 und 3a bekannt. Schliesslich konnten in der Arbeit neben Aktivierungen im kontralateralen Gyrus postcentralis auch ipsilaterale Signalveraenderungen nachgewiesen werden, ein Befund, der ebenfalls mit anderen bildgebenden Untersuchungen am Menschen, wie auch mit tierexperimentellen Befunden uebereinstimmt.
Based on invasive experimental work in animals and interference studies of the human cortex during surgical epilepsy performed by Penfield and coworkers it is well-known since the 1930s that the body surface is represented somatotopically in the primary somatosensory cortex. The aim of this thesis work is to study somatotopy in humans using non-invasive methods. This should provide the basis for future clinical studies about cerebral plasticity. The primary somatosensory cortex (SI) was studied by the non-invasive method functional MRI (fMRI). Neuronal activity in response to non painful electrical stimulations of the fingers and lips was measured by examining changes in the local BOLD response. First we investigated if the fMRI signal in SI is a function of the electrical stimulation frequency of the fingers. Responses that were observed contralateral in the postcentral gyrus were a function of the electrical stimulation frequencies at the right index finger (1Hz, 3Hz, 7Hz and 10Hz). The volume of active area and the signal amplitude increased with the stimulation frequency of up to 7Hz and remained constant at 10Hz. These results are in agreement with previous studies in humans and other species, that used other methods like SEP, PET and NIRS. Based on these findings we conclude that a stimulation frequency of 7Hz leads to maximal integrated neuronal activity in SI or to saturation of the BOLD response. These data are useful for future fMRI studies of the somatosensory cortex that require an optimal signal intensity. Part 2 of this thesis work focused on the question whether the electrically stimulated fingers 2 and 5 are represented in SI. It was of high interest to map the relative distribution of these representation areas. In part 3 we asked if the same principles apply as well for the representations of the thumb and lower and upper lips. Using fMRI we could show that fingers 2 and 5, as well as thumbs and lower and upper lips are indeed represented somatotopically in SI. The representation of the second finger was arranged laterocaudal to the representation of the fifth finger. The representation areas of thumbs, upper and lower lip were detected in a mediocranial to laterocaudal somatotopic succession along the central sulcus. Remarkably, both studies each revealed one subject with a reversed somatotopic succession of the described representation areas. We interpreted these subjects as normal variants. The observed adjacent representation areas overlapped in many cases. This overlap could be due to a limited spatial resolution of the vascular reaction. Another reason could lie in the fact that in (in the fMRI measured) vascular the answer also lower neural activity reflects itself, which was not measured with many of the invasive neurophysiological investigations. Electricphysiological experiments in animals demonstrated that in area 1 and 2 the receptive fields of neighbouring fingers can indeed overlap in their neural activity above threshold. In this thesis work we further detected distinct activities in the contralateral primary somatic sensory cortex. These activities could be assigned either to the dorsal wall of the central sulcus or to the crest of the postcentral gyrus. Therefore, these multiple activities probably correspond to the cytoarchitectural defined areas 3b and 1/2. Experimental animal studies revealed somatotopical representation of the body surface in areas 3b, 1, 2 and 3a.
