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5.  Zusammenfassung

Das Gehirn ist das faszinierendste und gleichzeitig am wenigsten verstandene Organ des menschlichen Körpers. Die Aufklärung seiner Funktion erscheint sowohl für das Verständnis seiner physiologischen Aufgaben als auch für die Erforschung von verschiedensten Krankheiten, in deren Rahmen Gehirnfunktionen beeinträchtigt werden interessant. Eine der Methoden, die wesentlich zum heutigen Verständnis der Gehirnfunktion beitragen ist die funktionelle Bildgebung. Sie beruht größtenteils auf einem Phänomen, das bereits 1890 von Roy und Sherrington (Roy 1890) postuliert wurde: der neurovaskulären Kopplung.

Der Begriff der neurovaskulären Kopplung bezeichnet die Zusammenarbeit von Nervenzellen, Gliazellen und Blutgefäßen im Gehirn. Vereinfacht dargestellt besteht diese Zusammenarbeit darin, dass in einem aktivierten Gehirnareal, d.h. einem Areal mit gegenüber dem Ruhezustand erhöhter Nervenzellaktivität, die Durchblutung ansteigt. Bei gleichzeitig relativ geringer steigendem Sauerstoffverbrauch (Fox 1986) der lokalen Neurone und Gliazellen führt der steigende Blutfluss zu einem "Auswaschen" von deoxy-Hb und zum "Einwaschen" von oxy-Hb in das aktivierte Areal, die Konzentration von deoxy-Hb fällt, die von oxy-Hb steigt durch die Aktivierung an.

Das Absinken der deoxy-Hb-Konzentration kann aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften mittels funktioneller Magnet-Resonanz-Tomografie dargestellt werden. Dabei bleibt die Genauigkeit dieser Darstellung einigen Beschränkungen unterworfen. Da das Areal mit durch die Aktivierung gestiegenem Blutfluss größer ist als das Areal der aktivierten Neurone selbst und aufgrund der zeitlichen Verschiebung des Blutflussanstieges gegenüber der Aktivierung bleibt die räumliche und zeitliche Auflösung der fMRT geringer, als es für eine detaillierte Darstellung von Substrukturen der neuronalen Organisation des Gehirns benötigt wird.

Eine Entdeckung von Malonek (Malonek 1996) scheint einen Ausweg aus der Beschränkung der räumlichen und zeitlichen Auflösung der fMRT zu weisen: Seine Arbeitsgruppe beobachtete, dass unmittelbar nach der neuronalen Aktivierung im Kortex von Katzen die deoxy-Hb-Konzentration anstieg. Diesen initialen Anstieg der deoxy-Hb-Konzentration interpretierten die Autoren als Zeichen des neuronalen Sauerstoffverbrauchs vor Beginn der überschießenden Blutflussantwort. Dieser Effekt (aufgrund der damit korrespondierenden Abnahme des BOLD-Signals in der fMRT als "initial dip" bezeichnet) sollte also räumlich und zeitlich wesentlich enger mit der neuronalen Aktivität korreliert sein als die durch die später folgende Blutflussantwort bedingte Abnahme des deoxy-Hb. [Seite 85↓] Aufgrund der Tatsache, dass in den selben Messungen auch die Konzentration von oxy-Hb initial anstieg und aufgrund von methodischen Problemen (Kohl 2000) bleiben allerdings Zweifel an der Interpretation der Daten. Der Versuch, unter der oben beschriebenen Annahme die Auflösung der fMRT zu verbessern, schien tatsächlich erfolgreich zu sein. Kim et al. (Kim 2000) stellten Substrukturen des visuellen Kortex (Cortical Columns) dar, wenn auch hier Zweifel an der Interpretation geboten scheinen (Logothetis 2000). Eine spätere Arbeit der gleichen Gruppe erreicht allerdings eine ähnlich hohe Auflösung durch Darstellung von Blutflusseffekten (Duong 2001).

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, den Verlauf der Konzentration von physikalisch gelöstem Sauerstoff in den Blutgefäßen der Mirkozirkulation des Hirnkortex von Ratten nach neuronaler Aktivierung in diesem Areal darzustellen. Besonderes Augenmerk gilt dabei der initialen Phase und der Frage, ob sich unmittelbar nach der Aktivierung eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration in der Mikrozirkulation des aktivierten Areals nachweisen lässt.

Als Tiermodell wurde der somatosensorische Kortex von Ratten gewählt, speziell das Areal, in dem die Barthaare (Whisker) repräsentiert sind, der sogenannte Whisker-Kortex. Hier sind die Neuronen in Form von kleinen "Barrels" (Fässer) organisiert, jedes dieser Barrel erhält afferente Impulse von einem der Barthaare. Aufgrund der besonderen Bedeutung der Barthaare für die Orientierung der Ratte ist deren neuronale Repräsentation im Kortex besonders ausgedehnt. Dieses Tiermodell bietet daher optimale Vorraussetzungen mittels eines physiologischen Stimulus (Auslenkung der Barthaare) eine ausreichend große vaskuläre Antwort zu erzeugen.

Als Methode zur Messung der Sauerstoffkonzentration wurde das Phosphorescence Quenching gewählt. Hierbei wird dem Tier intravenös eine Substanz injiziert, deren Phosphoreszenzverhalten von der Sauerstoffkonzentration in ihrer unmittelbaren Umgebung abhängt. Durch Messung der mittels eines kurzen Lichtblitzes angeregten Phosphoreszenz kann dann auf die Sauerstoffkonzentration zurückgeschlossen werden. Da das Licht bei dieser Methode frei auf den Kortex bzw. von dort zurückgelangen muss, legten wir bei den Versuchstieren unter Narkose ein kranielles Fenster an.

Aufgrund der Vergleichbarkeit mit Ergebnissen einer weiteren Methode, der Imaging Spectroscopy wurde als Versuchsparadigma zunächst die Stimulation eines einzelnen Barthaares gewählt. Da das Areal aktivierter Neurone hierbei möglicherweise kleiner als dasjenige Areal ist, von dem das Messsignal stammt, wurde zum Vergleich ein zweites Paradigma mit Stimulation aller Barthaare gewählt. Beide Paradigmen umfassten [Seite 86↓] Messungen mit einer Frequenz von 100Hz, zwei Sekunden vor der Stimulation beginnend, einen vier Sekunden umfassenden Stimulationszeitraum sowie neun Sekunden Messungen nach dem Ende der Stimulation.

Die dargestellte Blutoxygenierungsantwort auf neuronale Aktivität lässt drei Phasen erkennen: In einer initialen Phase zeigt sich in den über alle Tiere gemittelten Kurven eine sehr geringe, statistisch nicht signifikante Abnahme der Sauerstoffkonzentration, ein deutlicher, etwa 1 - 1,5 Sekunden nach Beginn der Stimulation einsetzender Anstieg der Sauerstoffkonzentration, gefolgt von einem in den über alle Tiere gemittelten Kurven deutlichen, aber statistisch nicht signifikanten undershoot der Sauerstoffkonzentration. Es zeigt sich kein deutlicher Unterschied zwischen den beiden Versuchsparadigmen (Single-Whisker vs. Whole-Pad).

Da das Messsignal aus einem Kortexareal von etwa 1,3 mm Durchmesser in der Aufsicht stammt, ist es zwangsläufig ein Mischsignal aus verschiedenen Kompartimenten (Arteriolen, Kapillaren und Venulen). Die zur Errechnung der Sauerstoffkonzentrationsveränderungen aus dem Messsignal verwendete Methode des "monoexponentiellen Fits" wurde mittels einer Computer-Simulation auf ihre Verlässlichkeit hinsichtlich der Berechnung von Sauerstoffkonzentrationsveränderungen aus einem solchen Mischsignal untersucht. Dabei zeigte sich, dass insbesondere dann, wenn sich die Sauerstoffkonzentration in einzelnen Kompartimenten isoliert verändert (also insbesondere in der initialen Phase), die Berechnung der Sauerstoffkonzentrationsveränderung mittels monoexponentiellem Fit fehlerhaft sein kann.

Die vorliegende Arbeit belegt, dass die Konzentration von physikalisch gelöstem Sauerstoff in der Mikrozirkulation des Gehirnkortex von Ratten nach neuronaler Stimulation einen dreiphasigen Verlauf nimmt. In den ersten 1-1,5 Sekunden zeigt sich eine lediglich geringe Veränderung, gefolgt von einer deutlichen Zunahme (Hyperoxygenierung). Wiederum 1-1,5 Sekunden nach Stimulationsende fällt die Sauerstoffkonzentration ab und unterschreitet bei vielen Tieren zeitweise den Ausgangswert (undershoot).

Die Interpretation der berechneten Sauerstoffkonzentration eines Mischsignals aus verschiedenen Kompartimenten bei der Methode des Phosphorescence Quenching muss bei der Verwendung eines monoexponentiellen Fits mögliche Fehler der Methode berücksichtigen.


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01.03.2004