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4.  Diskussion

4.1. Messung globaler Veränderungen

Die Messungen von Veränderungen der Sauerstoffkonzentration beim Tod des Versuchstieres, unter temporärer Hypoxie und temporärer Hyperoxie und während Vasomotionen zeigen, dass das Phosphorescence Quenching eine zuverlässige Methode für die Darstellung globaler Veränderungen des pO2 in der Zirkulation des Gehirns ist. Dabei sind die durch den monoexponentiellen Fit (trotz inhomogener pO2 -Verteilung) entstehenden Fehler vernachlässigbar. Kritisch werden diese Fehler, wenn sich die Oxygenierung in den einzelnen Kompartimenten isoliert verändert.

Der Vorteil der Methode besteht darin, dass ein vom pO2 abhängiges Signal ohne Verletzung der Kortexoberfläche gemessen werden kann (im Gegensatz zur Messung mit Sauerstoffelektroden, bei diesen besteht zusätzlich das Problem, dass die Messung selbst Sauerstoff verbraucht.). Die zeitliche Auflösung der Methode ist hervorragend (bis zu 100 Hz) die Angaben bleiben allerdings qualitativ (in a.u.) und können mit einer monoexponentiellen Analyse nicht quantitfiziert werden.

4.2. Probleme in der Interpretation bei monoexponentieller Analyse

Die hier verwendete Analyse der Daten zur Berechnung der pO2 -Veränderungen ist im wesentlichen die gleiche wie in (Vanzetta 1999). Die gemessenen exponentiellen Zerfallskurven wurden von 100-480μ s nach dem Intensitätsmaximum (erst 100 μ s danach um Einflüsse des Anregungslichtes auszuschließen, s.o.) logarithmiert und linear modelliert, dies entspricht einer monoexponentiellen Analyse der Lebensdauer. Diese Analyse geht von der Annahme eines homogenen pO2 im Messvolumen aus. Tatsächlich ist dieser allerdings stark inhomogen, Unterschiede ergeben sich sowohl generell entlang des Gefäßbaums (die Oxygenierung fällt von der Arteriole über die Kapillare zur Venole), als auch zwischen einzelnen Kapillaren und besonders Venulen (siehe Vovenko 1999: mittlere Oxygenierung in den kleinsten Arteriolen: 61.5 ± 12 mmHg, Kapillaren: arterielles Ende 57.9 ± 10.6 mmHg, venöses Ende: 40.9 ± 11.5 mmHg, Venulen: sehr heterogen zwischen 15 und 60 [Seite 72↓] mmHg ). Diese deutliche Inhomogenität des pO2 , selbst in einem auf die Mikrozirkulation beschränkten Messvolumen, verhindert, dass mit Hilfe eines monoexponentiellen Fits quantitative Aussagen getroffen werden können (d.h. der pO2 muss in a.u. angegeben werden).

Es muss also die Behauptung belegt werden, dass, obwohl aufgrund der Inhomogenität des Messvolumens keine quantitativen Aussagen gemacht werden können, zumindest qualitative Aussagen möglich sind. Das bedeutet, dass die Veränderungen des tatsächlichen mittleren pO2 im Messvolumen mit denen des berechneten pO2 in ihrer Richtung übereinstimmen müssen. Nimmt also der mittlere pO2 im Messvolumen ab, so müsste auch der berechnete pO2 abnehmen. Besonders interessant ist diese Frage für die Analyse der initialen Antwort: Können mit der verwendeten Analyse des Signals isolierte Veränderungen in einzelnen Kompartimenten (wie sie für die initiale Phase der Blutflussantwort zu erwarten sind), qualitativ richtig dargestellt werden ? Nach den oben dargestellten Simulationen ist dies nicht der Fall. Mit Hilfe des monoexponentiellen Fits (und bei den gewählten Fit-Parametern: Fit von 100-480 μ s) wird nicht der mittlere pO2 im Messvolumen, sondern ein venös gewichtetes Signal dargestellt, das Veränderungen in den besser oxygenierten Kompartimenten qualitativ falsch darstellt, solange sie nicht mit gleichsinnigen Veränderungen im venösen (bzw. am schlechtesten oxygenierten) Kompartiment einhergehen. Veränderungen, die eine gleichsinnige pO2 -Änderung in allen Kompartimenten erzeugen, werden dagegen qualitativ richtig dargestellt. Diese Überlegungen sind zentral für die Diskussion des mit monoexponentieller Analyse berechneten Sauerstoffpartialdrucks in der initialen Phase der Blutflussantwort.

4.3.  Messung lokaler Veränderung: Die Blutoxygenierungsantwort auf neuronale Aktivierung

Wie oben (Ergebnisse: Stimulationskurven) dargestellt lassen sich mit Hilfe des Phosphorescence Quenching aktivitätsbedingte Oxygenierungsveränderungen des Gehrinkortex erfassen. Die Blutoxygenierungsantwort auf neuronale Stimulation zeigt dabei drei unterschiedliche Phasen:

In der initialen Phase (etwa die ersten 1 - 1.5 s nach Stimulationsbeginn) zeigt sich (in der über alle Tiere gemittelten Kurve) ein sehr geringer Abfall des berechneten pO2 (statistisch nicht signifikant).


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Die zweite Phase (ab etwa 1- 1.5 s nach Stimulationsbeginn bis etwa 4 s nach Ende der Stimulation) zeigt eine deutliche und signifikante Hyperoxygenierung.

Die dritte Phase (ab etwa 4 s nach Stimulationsende, einige Sekunden lang) zeigt einen Abfall des berechneten pO2 unter die Ausgangswerte (undershoot), der in der gemittelten Kurve deutlich zu sehen, allerdings statistisch nicht signifikant ist (er tritt bei einigen Tieren deutlich, bei anderen nicht auf).

Im folgenden sollen die drei Phasen der Blutflussantwort getrennt diskutiert werden:

4.3.1. Die initiale Phase

In der über alle Tiere gemittelten Kurve lässt sich eine geringe, statistisch nicht signifikante Veränderung des berechneten pO2 erkennen. Diese initiale Veränderung ist weder in der Amplitude noch in der Dauer (Amplitude: ca. 5-10 % der Hyperoxygenierung, Dauer ca. 1s) annähernd so groß wie die in (Vanzetta 1999) gemessene (visueller Kortex von Katzen, Amplitude ca. 30%, Dauer ca. 3 s). Die Messungen von Vanzetta et al. sind die einzigen weiteren veröffentlichten Messungen der vaskulären Antwort auf neuronale Aktivität mittels Phosphorescence Quenching. Vergleicht man sie mit den vorliegenden Messungen, so ergeben sich verschiedene Interpretationsmöglichkeiten bezüglich der unterschiedlichen Ergebnisse. Festzustellen bleibt, dass ein Unterschied in der initialen Antwort offensichtlich ist, obwohl die gleiche Analyse und der gleiche Aufbau verwendet wurden. Unterschiede waren:

  1. Speziesunterschiede. Vanzetta et. al. führten ihre Messungen an Katzen durch, insbesondere ist hier an die bei Katzen im Vergleich zu Ratten längere mean transit time (kapilläre Passagezeit des Blutes) zu denken;
  2. Unterschiede in der Anästhesie, die einen deutlichen Einfluss auf die neurovaskuläre Antwort haben kann (Lindauer 1993). Vanzetta et. al. verwendeten Barbiturate, die hier gezeigten Daten wurden unter Anästhesie mit α -Chloralose und Urethan erhoben.
  3. Unterschiede in der Art der Stimulation und im stimulierten Areal: Die Stimulation bei (Vanzetta 1999) war visuell (visueller Kortex), in der vorliegenden Arbeit somatosensorisch (somatosensorischer Kortex).
    Neben der Diskussion der Unterschiede zwischen den hier gezeigten Messungen und denen von Vanzetta et. al. erscheint es ebenso wichtig, mögliche Interpretationen der beobachteten initialen Antwort zu diskutieren. Im wesentlichen existieren zwei Modelle, die das Auftreten von initialen, zur später folgenden Hyperoxygenierung gegensinnigen Veränderungen erklären:


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1) Hypoxiehypothese

Nach diesem, von Malonek und Grinvald vorgeschlagenen Modell (Malonek 1996) verbrauchen die Neurone und Astrozyten unmittelbar nach ihrer Aktivierung mehr Sauerstoff, um das zur Repolarisation der Membran bzw. für den Neurotransmitterzyklus (Magistretti 1996) verbrauchte ATP durch aeroben Stoffwechsel wieder aufzufüllen. Dieser O2 -Verbrauch führt zu einem Absinken des pO2 in den umliegenden Blutgefäßen, da es der Dilatation der Arteriolen und damit dem Einwaschen von besser oxygeniertem Blut vorausgeht (das Areal der Blutgefäße mit initialer Antwort, d.h. sinkendem pO2 wäre demnach räumlich sehr eng auf das Areal der aktiven Neurone beschränkt). Dieses Absinken würde zugleich ein mögliches Signal für die Vasodilatation darstellen (z.B. über die Freisetzung von NO, einem starken Vasodilatator, das an oxygeniertes, aber nicht an deoxygeniertes Hämoglobin gebunden ist (Stamler 1997)). Das Absinken des pO2 würde mit einem Absinken der oxy-Hb-Konzentration und einem Anstieg der deoxy-Hb-Konzentration einhergehen. Letzterer ließ sich in der spektroskopischen Analyse zeigen (Malonek 1996), der oxy-Hb-Abfall allerdings nicht. Der im Phosphorescence Quenching gesehene Abfall des pO2 (Vanzetta 1999) ist aufgrund der monoexponentiellen Analyse vorsichtig zu interpretieren. Vereinbar wäre er mit einer initialen Hypoxie der Kapillaren und Venulen, nicht mit einer initialen Hypoxie der Kapillaren ohne eine Veränderung des pO2 in den Venulen (bzw. den am schlechtesten oxygenierten Kompartimenten). Die Interpretation der initial beobachteten Veränderungen als Hypoxie wird in (Vanzetta 1999) gestützt durch die Beobachtung (Spektroskopiesignal bei 570nm), dass das Blutvolumen erst nach Beginn der initialen Veränderungen ansteigt.

2) Blutvolumenhypothese

Da es bislang keinen eindeutigen Beleg für eine initiale Steigerung des Sauerstoffverbrauchs der Neurone gibt, stellt sich die Frage, ob die beobachtete initiale deoxy-Hb-Zunahme in (Malonek 1996) anders als durch initiale Erhöhung des Sauerstoffverbrauchs der Neurone erklärt werden kann. Eine Möglichkeit stellt die Erklärung durch initiale Veränderung des Blutvolumens dar. Demnach verbrauchen die Neurone unmittelbar nach ihrer Aktivierung zunächst nicht mehr Sauerstoff, die erste Veränderung auf Gefäßebene ist eine Dilatation der Arteriolen. Verschiedene, nicht an eine initiale Hypoxie gebundene Signalmechanismen sind denkbar (siehe Einleitung), z.B. neurogene Mechanismen, H+ (initial anaerober [Seite 75↓] Stoffwechsel), K+ ... . Die arterioläre Dilatation führt zum Einstrom von sauerstoffreichem Blut, aber auch (über den gestiegenen Druck) zum Anstieg des Blutvolumens. Da das aus den Arteriolen kommende Blut nicht zu 100% mit Sauerstoff gesättigt ist, fließen bei zunächst gleichbleibendem outflow aus den Venen sowohl oxy- als auch deoxy-Hb in das Messvolumen ein, die Konzentrationen von oxy-Hb und deoxy-Hb würden zunächst ansteigen. Diese Überlegungen werden gestützt durch das Modell der diffusionslimitierten Sauerstoffversorgung ((Gjedde 1991), (Buxton 1997)) und das "Balloon Model" (Buxton 1998). Nach dem Modell der diffusionslimitierten Sauerstoffversorgung ist bereits im "Ruhezustand" (vor Stimulationsbeginn) der pO2 in den Mitochondrien der Neurone nahe Null, d.h. die Neurone verbrauchen den gesamten von den Gefäßen angelieferten Sauerstoff. Sie haben demnach nicht die Möglichkeit, den Gradienten für Sauerstoff zwischen Mitochondrium und Kapillare weiter zu senken und so über eine gesteigerte Diffusion mehr Sauerstoff zu bekommen. Ein erhöhter Sauerstoffverbrauch wäre demnach erst dann möglich, wenn der pO2 in der Kapillare und damit der Gradient zwischen Kapillare und Mitochondrium ansteigt. Erhöhter Sauerstoffverbrauch wäre also nur möglich nach der Steigerung des Blutflusses, eine initiale Hypoxie ausgeschlossen. Das Balloon Model beschreibt das Verhalten der Venen bei Blutflussveränderungen: Aufgrund ihrer hohen Compliance nehme ihr Volumen bei Erhöhung des Blutflusses zunächst zu, der outflow steige mit einer Verzögerung gegenüber dem inflow an. Folglich würde eine initiale Blutflusserhöhung zu einer Erhöhung des Volumens führen, je nach Oxygenierung des einfließenden Blutes zu einer Erhöhung der deoxy-Hb- Konzentration im Messvolumen. Mayhew et. al. (Mayhew 1999) haben (wenn auch nur bei wenigen Tieren) die Beobachtung gemacht, dass der von ihnen gemessene initiale Anstieg der deoxy-Hb-Konzentration verschwindet, wenn das arterielle Blut hyperoxygeniert wird, eine Beobachtung, die die Blutvolumenhypothese stützt: Enthält nämlich das initial einfließende arterielle Blut kein deoxy-Hb, so könnte es auch keinen Anstieg der deoxy-Hb-Konzentration im Messvolumen verursachen.


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Hypoxiehypothese

Blutvolumenhypothese

pro

Initialer deoxy-Hb-Anstieg in der Spektroskopie (Malonek 1996), (Mayhew 1999)

Initialer Anstieg von oxy-Hb und deoxy-Hb in der Spektroskopie (Malonek 1996), (Mayhew 1999)

 

Initial negatives BOLD-Signal in der fMRT (siehe Einleitung)

Der initiale deoxy-Hb-Anstieg verschwindet unter Hyperoxie (Mayhew 1999)

 

Initiale pO2-Abnahme im Phosphorescence Quenching (Vanzetta 1999)

Initial negatives BOLD-Signal in der fMRT (siehe Einleitung)

  

Balloon model (Buxton 1998)

contra

Initialer oxy-Hb-Anstieg in der Spektroskopie (Malonek 1996), (Mayhew 1999)

Späterer Anstieg (Vanzetta 1999) des Blutvolumens in der Spektroskopie (570nm)

 

Mit DPF-Korrektur kein initialer deoxy-Hb-Abfall (Lindauer 2000)

 
 

Der initiale deoxy-Hb-Anstieg verschwindet unter Hyperoxie (Mayhew 1999)

 
 

Diffusion limited model (Buxton 1997), (Gjedde 1991)

 

Der in dieser Arbeit gezeigte Verlauf der Oxygenierung in der initialen Phase der Blutflussantwort ergibt folgende Schlussfolgerungen:

Eine Veränderung der Oxygenierung in der initialen Phase der Blutflussantwort auf neuronale Aktivierung trat bei den vorliegenden Messungen zumindest manchmal auf, sie ist von ihrer Amplitude her im somatosensorischen Kortex von Ratten sehr viel kleiner als im visuellen Kortex von Katzen. Welcher Art diese Oxygenierungsveränderung ist, lässt sich mit Hilfe einer monoexponentiellen Analyse nicht zeigen. Sowohl eine initiale Hypoxie der Kapillaren und Venulen als auch eine initiale Hyperoxygenierung der Kapillaren bei noch konstantem pO2 in den Venulen würden ein Absinken des berechneten pO2 ergeben. Der beobachtete Effekt ist jedenfalls nicht stabil reproduzierbar und seine Amplitude her sehr [Seite 77↓] klein im Vergleich zur anschließenden Hyperoxygenierung. In weiteren Untersuchungen wäre zu klären, ob eine größere initiale Antwort unter bestimmten Bedingungen erzeugt werden kann, dies ließe dann möglicherweise auch Rückschlüsse auf den zugrundeliegenden Mechanismus zu. Anhaltspunkte dafür bieten z.B. das Verschwinden des initialen deoxy-Hb-Anstiegs unter Hyperoxie (Mayhew 1999), dies legt im Umkehrschluss nahe, dass der initiale Anstieg des deoxy-Hb unter Hypoxie größer würde (ein Indiz für die Volumenhypothese). Belege für die Hypoxiehypothese wären am elegantesten durch eine Blockade der neurovaskulären Kopplung zu erbringen: Bei aufgehobener Gefäßreaktion sollte dann unter neuronaler Aktivierung der pO2 in den umliegenden Gefäßen abfallen, die deoxy-Hb-Konzentration sollte ansteigen. Der Anstieg würde nicht mehr (wie nach der Hypothese unter intakter Kopplung) durch wenig später einfließendes gut oxygeniertes Blut "maskiert". Ein unter blockierter Kopplung größer werdender Anstieg des deoxy-Hb (im Quenching Abfall des pO2 ) würde so gleichzeitig das oxygen limitation model widerlegen (Gjedde 1991, Buxton 1997). Umgekehrt wäre bei einer Verringerung des oxy-Hb-Anstieges unter Kopplungsblockade ein weiterer Beleg für die Blutvolumenhypothese gefunden.


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Abb. 24 : initiale Blutoxygenierungsantwort. In der Literatur besteht Uneinigkeit über den Verlauf der initialen Blutoxygenierungsantwort: Einige Autoren haben einen initialen Anstieg des deoxy-Hb gezeigt, andere nicht. Insgesamt ist unklar, unter welchen Bedingungen der "initial dip" zustande kommt. Alle Autoren zeigen übereinstimmend keinen initialen Abfall des oxy-Hb. Die verschiedenen in der Literatur beschriebenen Verläufe sind hier als gestrichelte bzw. durchgehende Linien dargestellt.

4.3.2. Die Hyperoxygenierung

Es zeigt sich als zweite Phase der Blutoxygenierungsantwort eine statistisch signifikante Hyperoxygenierung (signifikanter Anstieg des mit Hilfe eines monoexponentiellen Fits berechneten pO2) , die ca. 1-1,5 Sekunden nach Stimulationsbeginn begann und ca. 1-1,5 Sekunden nach Ende der Stimulation ihren Maximalwert erreichte. Etwa vier Sekunden nach Ende der Stimulation erreichte die Oxygenierung wieder das Ausgangsniveau. Die Hyperoxygenierung ist zu erklären durch den stark ansteigenden Blutfluss bei gleichzeitig nur gering ansteigendem Sauerstoffverbrauch der Neurone. Diese Beobachtung bestätigt die Messungen von Fox und Raichle 1986 (Fox 1986), dass der Blutfluss stärker ansteigt als der Sauerstoffverbrauch: Der nur gering steigende Sauerstoffverbrauch bei gleichzeitig stark [Seite 79↓] ansteigender Anlieferung von Sauerstoff durch den stark gestiegenen Blutfluss ergibt eine Hyperoxygenierung in den lokalen Blutgefäßen im Vergleich zum nicht aktivierten Zustand. Die Beobachtung, dass der Blutfluss relativ weit mehr ansteigt als der Sauerstoffverbrauch ist in der Zwischenzeit von vielen Autoren mit unterschiedlichen Methoden bestätigt worden (siehe Tabellen zu CBF und CMRO2 in der Einleitung). Die Hyperoxygenierung scheint allerdings für die Sauerstoffversorgung auch bei nur gering steigendem Sauerstoffverbrauch der Neurone notwendig zu sein, da die Sauerstoffausschöpfung (OEF) bei erhöhtem Fluss und damit sinkender mean transit time abnimmt (Buxton 1997). Eine Kopplung des Blutflusses an den Sauerstoffverbrauch wäre demnach trotz überproportional steigendem Blutfluss gegeben. Die Beobachtung einer Hyperoxygenierung unter neuronaler Aktivität wird ebenfalls bestätigt durch ein positives BOLD-Signal in der fMRT unter neuronaler Aktivität (Ogawa 1990), sowie durch die Messung eines deoxy-Hb-Abfalls und oxy-Hb-Anstieges bei neuronaler Aktivierung in der Imaging Spectroscopy (Malonek 1996, Mayhew 1999, Lindauer 2001). Messungen der vaskulären Antwort auf neuronale Aktivität im visuellen Kortex von Katzen mit Phosphorescence Quenching zeigten ebenfalls eine deutliche Hyperoxygenierung (Vanzetta 1999). Da davon ausgegangen werden kann, dass spätestens eine mean transit time (bei der Ratte ca. 1.4 s, bei Anstieg des Blutflusses weniger als 1,4 s) nach Dilatation der Arterien und Arteriolen die Veränderungen der Sauerstoffkonzentration in allen Kompartimenten im Vergleich zum Ausgangszustand in die gleiche Richtung weisen, lässt sich hier die Hyperoxygenierung auch mit monoexponentiellem Fit sicher zeigen.


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Abb. 23 Hyperoxygenierung

Ein bis zwei Sekunden nach Beginn der Stimulation zeigt sich im Kortex der Ratte ein ausgeprägter Anstieg von oxy-Hb und pO2 , ein deutlicher Abfall von deoxy-Hb. Diese Messungen werden übereinstimmend von nahezu allen Autoren bestätigt.

4.3.3. Der Undershoot

In den gemittelten Kurven der meisten Tiere ist irgendwann nach dem Ende der Stimulation zu erkennen, dass die berechnete Oxygenierung unter das Ausgangsniveau fällt, wenngleich einige Tiere dieses Charakteristikum der Kurve nicht zeigen. Gemittelt über die 6 Tiere der Single-Whisker-Gruppe ergibt sich daher ein deutlicher undershoot, der statistisch allerdings nicht signifikant ist. Mittelt man auf den Ausgangswert zurückkehrende Kurven mit solchen, die deutlich darunter liegen, so wird die gemittelte Kurve ebenfalls unter dem Ausgangswert liegen. Ein solcher undershoot zeigt sich ebenfalls in einigen BOLD-fMRI-Daten sowie in Daten der Imaging Spectroscopy (Lindauer 2001) .

Die Simulation im Dreikompartiment-Modell zeigt, dass ein solcher Effekt im Phosphorescence Quenching sowohl mit einem nach der Stimulation erhöhten venösen Volumen (bei gleichem venösem pO2 wie vor der Stimulation) als auch mit einer [Seite 81↓] verminderten Oxygenierung in den Venen erklärbar ist. Eine Erhöhung des (venösen) Blutvolumens über die Stimulation hinaus beschreiben Mandeville et. al. sowohl in Messungen (fMRT- Messungen des Blutvolumens) als auch in einem Modell (Mandeville 1999).

Abb. 25 : undershoot. Ein ähnlich heterogenes Bild wie für die initiale Antwort ergibt sich für das Verhalten der Blutoxygenierung einige Sekunden nach Stimulationsende: Während bei einigen Tieren die Werte auf die vor der Stimulation gemessenen zurückfielen, unterschritten sie diese bei anderen Tieren deutlich und reproduzierbar. Diese Beobachtung zeigt sich nicht nur im Phosphorescence Quenching, sondern auch in der Imaging Spectroscopy (Lindauer 2001).

4.4. Möglichkeiten der Verbesserung durch multiexponentielle Analyse

Die Tatsache, dass die Veränderungen der initialen Phase bei Verwendung eines monoexponentiellen Fits nicht sicher interpretiert werden können, ergibt die Frage nach einer Möglichkeit, die Daten dennoch sicher hinsichtlich ihrer physiologischen Implikationen deuten zu können. Einen attraktiver Ausweg stellt die multiexponentielle Analyse dar. Diese bietet die Möglichkeit, die Sauerstoffverteilung im Messvolumen quantitativ (in mmHg) zu berechnen. Leider erfordert die multiexponentielle Analyse ein sehr gutes Signal/Rausch-Verhältnis (Vinogradov 1994, Golub 1997). Die hier erhaltenen experimentellen Daten weisen dies nicht auf, so dass keine stabil reproduzierbare multiexponentielle Analyse möglich ist.

In weiteren Experimenten ließe sich klären, ob eine genaue Berechnung der Sauerstoffverteilung und die Beobachtung der Veränderung der Sauerstoffverteilung in den Blutgefäßen bei neuronaler Aktivität möglich ist. Die hier gezeigte Versuchsanordnung könnte dazu wie folgt abgewandelt werden:

Da die Berechnung der Sauerstoffverteilung die Beschränkung des Messvolumens auf die Mikrozirkulation mit Vermeidung von größeren Gefäßen obsolet macht (dann können ja anhand der dargestellten Sauerstoffverteilung die Kompartimente unterschieden werden), könnte das Messvolumen auf einen großen Teil des Areals neuronaler Aktivität ausgedehnt werden: Bei whole-pad-Stimulation auf über 2*2 mm (indem das 135mm-Objektiv durch ein 50mm-Objektiv ersetzt wird), dies würde eine Steigerung der Lichtintensität im Vergleich zu den hier durchgeführten Versuchen um einen Faktor von etwa fünf bedeuten. Zusätzlich könnte nach exakter Bestimmung des Zeitverlaufs der Intensität des Anregungslichtblitzes (vor Injektion des Farbstoffes) dieser von den gemessenen Kurven subtrahiert und der Fit-Bereich so zeitlich weit nach vorne geschoben werden (unmittelbar zum Zeitpunkt des Anregungsblitzes). Auch dies würde die SNR weiter verbessern. Erste Berechnungen mit den hier zur Verfügung stehenden Daten zeigen bereits sinnvolle Ergebnisse hinsichtlich der physiologischen Interpretation, die allerdings nicht stabil reproduzierbar sind. Mit Hilfe einer Darstellung der Sauerstoffverteilung könnten die einzelnen Kompartimente unterschieden werden und dadurch Interpretationsprobleme, wie sie bei der Berechnung mit monoexponentiellem Fit auftreten, vermieden werden.


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4.5.  Schlussfolgerungen

Die in dieser Arbeit gezeigten Messungen der Veränderung der Sauerstoffkonzentration in der Mikrozirkulation des Kortex von Ratten nach neuronaler Stimulation lassen folgende Schlussfolgerungen zu:

1) Die Blutoxygenierungsantwort auf neuronale Stimulation lässt sich in drei Phasen einteilen: in einer initialen Phase kommt es zu einer sehr geringfügigen Zunahme der Lebensdauer der Phosphoreszenz des injizierten Porphyrins. Dies könnte erklärt werden durch initial gestiegenen Sauerstoffverbrauch der Neurone oder initial gesteigerten Blutfluss. Diese erste Phase hat (bei Ratten) eine Dauer von 1 - 1.5 s. In einer zweiten Phase kommt es zu einem deutlichen Abfall der gemessenen Lebensdauer, diese entspricht einer Zunahme der Sauerstoffkonzentration im Areal der neuronalen Aktivität. Diese Hyperoxygenierung beginnt etwa 1-1.5 s nach Stimulationsbeginn und hält bis etwa 3-5 s nach Stimulationsende an. Sie ist erklärbar durch eine starke Zunahme des Blutflusses bei relativ weniger starker Zunahme des Sauerstoffverbrauchs der Neurone und Astrozyten. Dieser zweiten Phase folgt bei einigen Tieren eine dritte Phase, in der die Sauerstoffkonzentration unter das Ausgangsniveau abfällt (undershoot). Dieser undershoot beginnt ca. 3-5 s nach Stimulationsende und hält einige Sekunden lang an. Der undershoot kann erklärt werden durch ein über das Stimulationsende hinaus erhöhtes venöses Volumen.

2) Die Messung von Sauerstoffkonzentrationsveränderungen in den Blutgefäßen mittels Phosphorescence Quenching ist hinreichend sensitiv, einzelne, vier Sekunden andauernde Stimulationen eines einzelnen Barthaares einer Ratte anhand der durch die Stimulation hervorgerufenen Blutoxygenierungsantwort nachzuweisen. Die Anwendung einer monoexponentiellen Analysemethode führt dabei allerdings zu Schwierigkeiten in der Interpretation der gemessenen Daten: Isolierte Veränderungen in einzelnen Kompartimenten können zur fehlerhaften Berechnung der mittleren Sauerstoffkonzentration führen. So müssen die berechneten Verläufe der Sauerstoffkonzentration vorsichtig interpretiert werden. Die Anwendung eines multiexponentiellen Näherungsverfahrens könnte diese Schwierigkeiten in der Interpretation der Daten vermeiden.


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01.03.2004