In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential der optischen Methode der Nah-Infrarot Spektroskopie für die nichtinvasive Beobachtung von Leãos “cortical spreading depression” (CSD) und spontanen Periinfarktdepolarisationen (PID) evaluiert. In 9 Ratten in Thiopentalanästhesie wurden regionale cerebrale Oxygenierungsänderungen bei CSD, in 10 Ratten bei PID gemessen. Die Methode, die auf der sauerstoffabhängigen Absorption des Hämoglobins und des terminalen Atmungskettenenzyms Cytochrom aa3 und der guten Penetranz des Gewebes für Licht im nahen Infrarotbereich (~700-100nm) basiert, hat sich tierexperimentell als geeignet erwiesen, beide Phänomene anhand charakteristischer Veränderungen der Oxygenierung der Hämoglobins nichtinvasiv zu erkennen und zu unterscheiden. Die Unterscheidung beruht dabei auf einer robusten regionalen Konzentrationsabnahme des Deoxy- bei Zunahme des Oxyhämoglobins (relative Hyperoxämie) in der CSD, während die PID durch einen initialen Anstieg der Deoxyhämoglobinkonzentration und Abfall der Oxyhämoglobinkonzentration (relative Hypoxämie) gekennzeichnet ist. Zukünftige mit NIRS beim Menschen erhobene Befunde während der Migräneaura (CSD) und in der akuten Phase des Schlaganfalles können sich an diesen Mustern orientieren, wenngleich man nicht von einer völligen Analogie der vermuteten menschlichen Äquivalente für die in der lyssencephalen Ratte gemachten Beobachtungen ausgehen darf.

Die pathophysiologische Interpretation der mit dem NIRO 500 erhobenen Daten ist, insbesondere wegen der geringen Zuverlässigkeit der Konzentrationsberechnung anhand der Extinktion bei nur vier Wellenlängen, für das in geringen Konzentrationen vorhandene Cytochroms aa3 problematisch. Eine Validierung dieses Signals und verbesserte Quantifizierung aller Chromophorenkonzentrationen durch Verwendung eines Spektroskopes, das im gesamten Nah-Infrarot-Bereich mißt, ist wünschenswert und könnte mit Hilfe der Messung der mittleren optischen Weglänge im streuenden Medium anhand der Wasserabsorption auch für physiologisch bedingte Veränderungen der optischen Eigenschaften des Gewebes korrigieren. Mit ähnlichen Verbesserungen kann die Methode auch für das weitergehende Studium physiologischer und pathophysiologischer Mechanismen von hohem Wert sein, da sie über die einzigartige Möglichkeit verfügt, simultan zur Blutoxygenierung auch den Redox-Zustand der mitochondrialen Cytochromoxydase zu messen.

In this thesis the optical method of Near-Infrared-Spectroscopy (NIRS) is evaluated with regards to its capability of non-invasive detection of Leão´s cortical spreading depression (CSD) and spontaneous peri-infarct-depolarizations (PID).

With the NIR-spectrometer NIRO 500 (Hamamatsu, Japan) regional cerebral oxygenation (rCBO) changes were measured during CSD in 9, and during PID in 10 barbiturate anesthatized rats.

The method if NIRS that relies on oxygen-dependent absorption changes of hemoglobin and cytochrome oxydase as well as the high penetrability of biologic tissues for light in the range between 700 and 1000 nm proved suitable to detect and to distinguish both CSD and PID experimentally.

This distinction relies on the robust decrease of deoxy- and increase of oxyhemoglobin concentrations (i.e. a relative hyperoxemia) during CSD while PID is characterized by an initial increase of deoxy- and decrease of oxyhemoglobin (relative hypooxemia).

Despite the profound anatomical differences between gyrencephalic humans and lyssencephalic rats, the observed patterns of rCBO changes may guide the interpretation of future NIRS measurements in patients with migraines with aura (CSD) or stroke (PID).

However, for concentration changes of oxydized cytochrome aa3 with its low concentration compared to the hemoglobins, the pathophysiological interpretation of the data obtained with NIRO 500 is confounded by the limits of attenuation measurements at only four wavelengths.

A validation of the cytochrome oxydase signal and an improved quantification of all concentration changes is highly desirable and may be achieved by employment of a continuous-wavelength device measuring the full spectral range of the near infrared. It would also allow to measure the mean optical pathlength in the highly scattering tissue and to correct for its physiologically occuring changes e.g. by measurements at the water absorption peak.

Similar improvements would enhance the value of the method for further physiological and pathophysiological studies because NIRS provides the unique opportunity to obtain simultaneous data on blood oxygenation as well as the redox state of the mitochondrial cytochrome oxydase.