Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurodegenerative disease primarily affecting the motor system of the central nervous system. The aim of this thesis is to evaluate the potential of structural magnetic resonance imaging (MRI) biomarkers of the brain grey matter (GM) and white matter (WM) for the state and progression of ALS. The thesis has been conducted on behalf of a treatment program on a named patient basis at the University Hospital of Regensburg. 31 patients with written informed consent are compared to a control sample of 34 age-matched healthy participants. Routine MRI scans have been conducted approximately every 3 months and include T1-weighted imaging, diffusion weighted imaging (DWI), and fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) sequences at 1.5 Tesla. The subprojects of the thesis investigate precentral and postcentral cortical thinning (study 1), spread of alterations of fractional anisotropy (FA) across different WM types (study 2), and FLAIR lesion detection (study 3) in the same ALS cohort. Candidate MRI biomarkers are associated with neurophysiological and clinical biomarkers. Statistical analysis includes both cross-sectional and longitudinal analyses. Special focus is set on the individual patient. Cortical thinning is more pronounced in the precentral cortex than in the postcentral cortex. Combinatory biomarker use reveals evident differences in temporal dynamics of cortical thickness, clinical and neurophysiological biomarkers over time. Reduction of FA is consistently detected in the corticospinal tract (CST) and extra motor WM and most pronounced in the brainstem. Spread of FA alterations resembles both dying-forward and dying-back disease propagation and is not linked to patients’ clinical or demographic characteristics. WM lesions as detected by FLAIR hyperintensity are more frequent in ALS patients than in controls, most pronounced in the CST, and associated with an inferior survival. Together, the findings of this thesis suggest that MRI biomarkers may contribute to the diagnosis, prognosis and understanding of ALS disease and disease courses on an individual scope.

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine progressive neurodegenerative Erkrankung, die primär das motorische System des zentralen Nervensystems betrifft. Ziel dieser Abschlussarbeit ist die Evaluation des Potenzials von Biomarkern der grauen und weißen Substanz für das Stadium und den Verlauf der Amyotrophen Lateralsklerose mittels der strukturellen Magnetresonanztomographie (MRT). Die Abschlussarbeit erfolgt im Rahmen eines Behandlungsprogramms namentlich erfasster Patienten am Universitätsklinikum Regensburg. 31 Patienten mit schriftlicher Einverständniserklärung werden mit einer Kontrollgruppe von 34 altersähnlichen gesunden Probanden verglichen. Die MRT Erhebung wird annähernd im dreimonatigen Rhythmus wiederholt und beinhaltet T1 gewichtete, diffusionsgewichtete und fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) Bildgebung bei 1.5 Tesla Magnetfeldstärke. Die Subprojekte der Abschlussarbeit untersuchen die Reduktion präzentraler und postzentraler kortikaler Dicke (Projekt 1), die Ausbreitung von Alterationen fraktioneller Anisotropie (FA) in verschiedenen Arten weißer Substanz (Projekt 2), und die Detektion von FLAIR Läsionen (Projekt 3) in derselben ALS Kohorte. Potenzielle MRT Biomarker werden mit neurophysiologischen und klinischen Biomarkern assoziiert. Die statistische Analyse beinhaltet Querschnitts- und Längsschnittanalysen. Besonderes Augenmerk wird auf den indviduellen Patienten gelegt. Die Reduktion kortikaler Dicke ist deutlicher im präzentralen als im postzentralen Kortex ausgeprägt. Die Kombination verschiedener Biomarker zeigt deutliche Unterschiede in der zeitlichen Dynamik von Veränderungen der kortikalen Dicke, der klinischen und der neurophysiologischen Biomarker. Die Reduktion von FA wird konsistent im Kortikospinaltrakt und in der nicht motorisch assoziierten weißen Substanz festgestellt und ist am deutlichsten im Hirnstamm. Die Muster der Ausbreitung von FA Abweichungen sprechen sowohl für die Dying-Forward als auch für die Dying-Back Hypothese. Sie erscheinen dabei unabhängig von der klinischen oder demografischen Charakteristik der Patienten. Die als Läsionen der weißen Substanz interpretierten FLAIR Hyperintensitäten treten häufiger bei ALS Patienten als bei gesunden Kontrollen auf. Sie sind am ausgeprägtesten im Kortikospinaltrakt und werden mit schlechterer Überlebensprognose assoziiert. Zusammenfassend verdeutlichen die Ergebnisse dieser Abschlussarbeit, dass MRT Biomarker zur Diagnose, Prognose, und zum Verständnis der ALS Erkrankung und deren individuellen Verlauf beitragen können.