Royl, Georg: Neurovaskuläre Kopplung im somatosensorischen Kortex der Ratte: Untersuchungen zur zeitlichen Kinetik mittels optischer Verfahren und funktioneller Magnetresonanztomographie

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Kapitel 1. Einleitung

Im Bereich der Neurologie erweckte die letzte Dekade besonders mit einer Errungenschaft allgemeine Faszination: der Möglichkeit, funktionelle Bilder vom menschlichen Gehirn zu erstellen. Jenseits von abstrakten Potentialkurven ließen sich mit der Zeit immer eindrücklichere Bilder von aktiven Hirnregionen produzieren. Die Grundlage der hierfür am meisten genutzten Methode, der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), bildet die Kopplung von neuronaler Aktivität und Blutfluß. Diese neurovaskuläre Kopplung ist in ihren Mechanismen wenig verstanden, und es ist auch nicht klar, welchem Zweck sie eigentlich dient. Sie führt zu regionalen Blutvolumen- und Oxygenierungsveränderungen, die derzeit Gegenstand zahlreicher Kontroversen sind. Ziel dieser Arbeit ist es, sich diesen Veränderungen mit optischen und magnetresonanztomographischen Messungen zu nähern. Dabei soll unter anderem die Existenz eines frühen Deoxygenierungssignals geprüft werden, dem eine initiale Sauerstoffmehrabschöpfung bei neuronaler Aktivierung zugrundeliegt. Außerdem soll die prinzipielle Übertragbarkeit von Ergebnissen der hochauflösenden invasiven optischen Bildgebung auf die bislang relativ grob aufgelöste nichtinvasive Magnetresonanzbildgebung demonstriert werden. Das Hämoglobin besitzt eine Doppelrolle in diesem Methodenvergleich. Es fungiert als Kontrastmittel in der fMRT und als intrinsischer Farbstoff in der optischen Bildgebung. Auf diese Weise generiert es in beiden Methoden ein Signal, das Rückschluß auf Blutvolumen und Oxygenierung erlaubt.

1.1 Ziel der funktionellen Bildgebung

Die funktionelle Bildgebung des Gehirns will, anders als die morphologische Bildgebung, das lebende neuronale System direkt untersuchen. Sie liefert ihren Beitrag zur interdisziplinären Neurowissenschaft, indem sie versucht, reproduzierbare Signale neuronaler Aktivität zu einer zeitlichen und räumlichen Gesamtinformation zusammenzufassen. Der prinzipielle Aufbau der meisten Methoden der funktionellen Bildgebung besteht aus der Stimulation, die man weitgefaßt als Aufgabenstellung an das Gehirn umschreiben kann, und der Messung der Stimulationsantwort, das heißt die verschiedenen physikalischen Phänomene, in denen sich stimulationsbedingt durch physiologische Prozesse eine Veränderung zeigt.


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1.1.1 Räumliche Lokalisierung neuronaler Aktivität

Das Ziel der räumlichen Lokalisierung ist die Hirnkartierung (englisch "Brain Mapping"). Sie teilt das Gehirn in abgegrenzte Areale ein, die bestimmten Funktionen zugeordnet sind. Die ersten Erkenntnisse hierzu stützen sich oft auf Sektionsbefunde. So fiel etwa dem Pariser Chirurgen Broca bei einem Kranken mit einer motorischen Sprachstörung eine Läsion am Fuß der linken dritten Frontalwindung auf . Als Abgrenzungen eignen sich Windungen und Furchen des Gehirns jedoch nur bei wenigen Fragestellungen. Die Hirnrinde faltet sich in der Entwicklung individuell verschieden. Daher sind Ergebnisse von einem Gehirn nicht immer auf ein anderes übertragbar.

Eine genauere, zytoarchitektonische Einteilung in Areale wurde unter anderem von Brodmann beschrieben . Die Zuordnung solcher Brodmann-Areale zu konkreten Hirnfunktionen ist bereits vor der Entwicklung moderner Methoden von verschiedenen Autoren betrieben worden. Hierzu existiert eine Studie von Kleist, einem Schüler Wernickes, die auf der Untersuchung von Kriegsverletzungen basiert . Sie verspricht mit ihrem Titel "Bau- und Funktionsplan des Gehirns" eine umfassende Erklärung. Kleists Hirnkarte wurde unter anderem wegen der Zuordnung seelischer Eigenschaften zu Rindenfeldern heftig angegriffen. Man sprach von "Hirnmythologie". Auch andere Hirnforscher, insbesondere Neurochirurgen, grenzten auf der Grundlage von klinischen Untersuchungen und morphologischen Veränderungen bestimmte funktionelle Areale ab. Einige erstellten so ihre eigenen funktionellen Hirnkarten .

Die Einteilung des Kortex in primäre, also bestimmten sensorischen oder motorischen Funktionen unmittelbar zugeordnete Areale, ist heute weitgehend akzeptiert. Seit den Arbeiten von Hubel und Wiesel sieht man die Zahl von 50-100 differenzierbaren Feldern auch elektrophysiologisch bestätigt . Nach der zytoarchitektonischen und funktionellen Einteilung in Areale ist man nun verstärkt dazu übergegangen, die kortikale Kolumnenorganisation zu ergründen, wie sie bereits in den 50er Jahren von Mountcastle im primär somatosensorischen Kortex beschrieben wurde. Dabei besteht die kleinste kortikale Funktionseinheit in der Minikolumne, einer 50µm breiten neuronalen Zellsäule, die sich senkrecht zur pialen Oberfläche durch die Schichten II-VI erstreckt und ursprünglich aus der wiederholten Teilung von Progenitorzellen hervorgegangen ist. Viele dieser Minikolumnen werden durch kurze horizontale Verbindungen zu Modulen, den kortikalen Kolumnen, verbunden. Solche Kolumnen finden sich in zahlreichen Spezies. Sogar in Tierarten, deren


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Gehirnvolumen sich um einen Faktor von 1000 unterscheidet, variieren sie erstaunlich wenig in ihrem Durchmesser, der 300-600µm beträgt .

Als universell auftretende Funktionseinheit hat die kortikale Kolumne demnach großes Interesse gewonnen. Ihre räumliche Abgrenzung ist eine der größten Herausforderungen an die funktionelle Bildgebung von heute.

1.1.2 Zeitliche Charakterisierung neuronaler Aktivität

Neuronale Interaktionen spielen sich im Millisekundenbereich ab. Die Bedeutung dieser Skala zeigt sich unter anderem darin, daß vor allem die zeitlich hochauflösenden Methoden zur Untersuchung neuronaler Aktivität wie Elektroenzephalographie (EEG) und Nervenleitgeschwindigkeitsmessung Eingang in die klinische Routine gefunden haben.

Eine funktionelle Bildgebung, die sich dem Zusammenspiel kortikaler Kolumnen nähern will, muß sich neben der räumlichen Auflösung auch die zeitliche Entwicklung des von ihr gemessenen Signals zunutze machen. Dabei versucht sie, von dem bildgebenden Signal auf die neuronale Aktivität zu schließen. Auf dem Niveau der Kolumnen gelingt das im Tierversuch sehr genau, beispielsweise über intra- oder extrazelluläre Ableitungen von Membranpotentialen. Beim Menschen ist die Untersuchung von Funktionseinheiten bislang vor allem über synchron arbeitende Nervenzellen möglich. EEG und Magnetenzephalographie (MEG) bieten sich als zeitlich hochaufgelöste Methoden an, die auch begrenzt räumliche Information liefern können. Daher werden sie unter anderem mit dem Ziel eingesetzt, den räumlich besser aufgelösten funktionellen Bildern der fMRT zusätzliche zeitliche Information im Millisekundenbereich zuzuordnen .

1.2 Grundlagen der funktionellen Bildgebung

Um ein funktionelles Bild des Nervensystems zu erstellen, bedarf es eines Signals, das auf irgendeine Weise einen neuronalen Verarbeitungsprozeß widerspiegelt, d.h. an die Aktivität der Nervenzellen gekoppelt ist. Dabei geht man zunächst von einer funktionellen Gehirnkarte aus, auf der die aktivierten Neuronen einerseits von den inhibierten Neuronen und anderereseits von den am studierten Prozeß unbeteiligten Neuronen unterscheidbar werden. Eine solche Karte läßt sich nur theoretisch gewinnen, in einem Aufbau, der eine simultane intrazelluläre Ableitung aller Neurone gewährleistet. Sie ist demnach eine "ideelle" Karte . Die Frage, der sich jede der gegenwärtigen Methoden zur


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Hirnkartierung stellen muß, ist, mit welchem räumlichen und zeitlichen Filter sie eine Annäherung dieser ideellen Karte rekonstruieren kann. Dieser räumliche und zeitliche Filter hängt zum einen von den technischen Grenzen der Methode selbst ab. Zum anderen aber ist er gebunden an das von ihr gemessene Korrelat neuronaler Aktivierung: das gekoppelte Signal. Auf die wichtigsten Kopplungsphämonene soll im folgenden eingegangen werden.

1.2.1 Die neuroelektrische Kopplung

Einen direkten Ansatz, etwas über die Aktivität eines Neurons zu erfahren, bietet die Messung seiner elektrischen Aktivität. Die invasiven Ableitungsmethoden liefern die differenzierteste Beschreibung neuronaler Aktivität, weshalb es am Tiermodell viele elektrophysiologischen Studien gegeben hat. Eine ausführliche Erläuterung dieser im Laufe des letzten Jahrhunderts entwickelten Methoden ginge über den Rahmen dieser Arbeit sicherlich hinaus. Daher sollen vor allem die nichtinvasiven elektrophysiologischen Methoden erwähnt werden, außerdem zwei invasive Verfahren, bei denen eine Methode der modernen Bildgebung mit einem Kontrastmittel auf elektrische Signale sensitiviert wird.

EEG und MEG sind nichtinvasiv und werden beim Menschen oft eingesetzt. Die EEG mißt elektrostatisch das Summenpotential auf der Oberfäche der Hirnrinde. Einen anderen Ansatz verfolgt die MEG. Sie greift mittels supraleitender Detektoren (SQUIDs) das Magnetfeld auf, das durch die postsynaptischen Ströme auf der Hirnoberfläche erzeugt wird . Beide Methoden stoßen auf Probleme in der räumlichen Auflösung der Signalquellen, die vor allem die gleichzeitige Lokalisierung vieler Dipole betrifft .

Eine Möglichkeit, die neuroelektrische Kopplung im Tiermodell räumlich gut aufgelöst sichtbar zu machen, besteht im Optical Imaging of Voltage Sensitive Dyes , der optischen Bildgebung mit spannungsempfindlichen Farbstoffen. Hierbei wird das Gehirn Stunden vor der Messung mit einem Farbstoff superfundiert, der sich an der Außenseite der neuronalen Membranen festsetzt und dann auf eine Potentialveränderung hin seine Fluoreszenz ändert . Die Methode ist eine der ersten optischen Hirnkartierungsmethoden . Wie alle anderen optischen Methoden ist sie in der Analyse limitiert durch die Streuung, die das Licht im Gewebe erfährt .

In einer weiteren Methode nutzt man die Ionenverschiebung, die unter einer Potentialveränderung an der Membran stattfindet. Dabei wird einem Tier intravenös


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divalentes Mangan infundiert und die Blut-Hirn-Schranke durch Mannitgabe durchlässig gemacht. Unter Aktivierung schleusen spannungsabhängige Kalziumkanäle das Mangan in die Nervenzelle ein. Mittels T1-gewichteter Magnetresonanztomographie (MRT) wird eine Gehirnaktivierung posthum sichtbar. Unter Stimulation vermehrt in die Zelle aufgenommenes Mn2+ hebt die Regionen verstärkter Aktivierung hervor . Dieser Methode fehlt eine zeitliche Achse. Sie liefert aber ein hoch aufgelöstes, integriertes Funktionsbild und kann daher als Kontrolle für die Lokalisationskapazität einer anderen Methode herangezogen werden.

Neuronale Aktivität ist in diesem Jahrhundert vor allem über die neuroelektrische Kopplung beschrieben worden. Die invasiven elektrophysiologischen Methoden haben die Grundlagen für die moderne funktionelle Neuroanatomie gelegt. Um von ihren immensen Erkenntnissen auch im Rahmen der nichtinvasiven Methoden profitieren zu können, bedarf es Daten, die eine Verbindung herstellen zwischen neuroelektrischer Kopplung und neurovaskulärer Kopplung. Kürzlich wurde in Nature eine Arbeit veröffentlicht, die die fMRT mit Messungen von lokalen Feldpotentialen sowie extrazellulär abgeleiteter sogenannter single- und multi-unit-spiking activity kombiniert hat. Diese Experimente wurden an Affen durchgeführt und konnten zeigen, daß die vaskulären Signale mit den lokalen Feldpotentialen korrelieren, und nicht mit den single-unit oder multi-unit recordings . Die fundierten Kenntnisse über diese beiden elektrophysiologischen Methoden erlauben die Schlußfolgerung, daß die fMRT eher die Afferenzen und die intrakortikale Verarbeitung eines Areals wiedergibt als dessen Efferenzen.

1.2.2 Die neurovaskuläre Kopplung

Das erstaunlichste und heute für die Hirnkartierung am meisten genutzte Kopplungsphänomen ist die Zunahme des regionalen Blutflusses unter vermehrter neuronaler Aktivität. Diese Kopplung ist schon vor über 100 Jahren von Roy und Sherrington postuliert worden . Bis heute ist nicht hinreichend geklärt, welchen physiologischen Zweck die neurovaskuläre Kopplung erfüllt und wie sie aufrechterhalten wird. Von der Grundlagenforschung erhofft man sich hier auch neue Perspektiven in der klinischen Anwendung, zum Beispiel auf dem Gebiet der zerebralen Ischämie. Die kognitiv-neurowissenschaftliche Frage an die neurovaskuläre Kopplung betrifft ihre Kapazität zur Hirnkartierung; also wie eng die von ihr erzeugten Signale räumlich und zeitlich an die neuronale Aktivität gebunden sind.


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Hinweise auf den Zweck der neurovaskulären Kopplung erhofft man sich von der Aufklärung ihrer Steuerung. Dabei werden verschiedene zelluläre und mediatorische Mechanismen in Betracht gezogen. Am meisten Aufmerksamkeit erhielten hierbei die in der allgemeinen Gefäßregulation vorkommenden chemischen Mediatoren CO2 und H+ , K+ und Adenosin . Keines dieser Substrate hat sich bislang als allein verantwortlich für die Blutflußantwort auf Stimulation gezeigt. In den letzten Jahren sind Arachidonsäuremetabolite als astrozytäre Steuerungsprodukte in die Diskussion gekommen. Die Blutflußantwort zeigte sich im Tiermodell von dem Enzym Cyclooxygenase 2 (COX-2) abhängig und konnte beim Menschen durch Indomethacin abgeschwächt werden . Der Mechanismus bestünde hierbei möglicherweise in einer Metabolisierung der Arachidonsäure zu vasodilatierenden Epoxyeicosatreinsäuren .

Stickstoffmonoxyd (NO), ein ubiquitär vorkommendes Vasodilatans, ist auch im Zusammenhang der neurovaskulären Kopplung intensiv erforscht worden. Unter Blockade der NO-Synthase zeigte sich die Blutflußantwort auf Stimulation abgeschwächt. Sie ließ sich allerdings durch Zugabe von NO-Donatoren und cGMP wieder herstellen. Dies läßt auf eine eher modulatorische und permissive Wirkung des NO schließen als auf eine neuronale Triggerfunktion .

Ein einfaches und umfassendes Erklärungsmodell der neurovaskulären Kopplung ist 1997 von Stamler entwickelt worden . Demnach würde das Hämoglobin durch eine reversible Bindung von NO Einfluß auf die Gefäßregulation nehmen. Durch einen allosterischen Übergang von der R- (oxygenierten) zu der T- (deoxygenierten) Struktur gebe Hämoglobin eine zuvor gebundene NO-Gruppe frei. Dieser Mechanismus bewirke überall dort, wo es zu einer Deoxygenierung des Hämoglobins kommt, eine Vasodilatation. Ein solcher Effekt bietet die Grundlage für einen fein abgestuften Regelkreis, der sich in seiner Theorie auf eine feste Kopplung zwischen neuronalem Sauerstoffverbrauch und Blutfluß stützt. Das Stamler-Modell der Blutflußregulation durch S-Nitrosohämoglobin erklärt den neurovaskulären Kopplungsmechanismus direkt mit einem neurometabolischen Zweck. Es ist chemisch in vitro gut gestützt. In seiner physiologischen Relevanz für die funktionelle Aktivierung des Gehirns entzieht es sich aber bislang der experimentellen Validierung.

Theoretisch ist es vorstellbar, daß der verzögerten Gefäßantwort auf NO eine frühe Phase der Deoxygenierung vorausgeht. Der neuronale Sauerstoffmehrverbrauch würde sich dann in


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einer kurzen Phase als Abfall der kapillären Sauerstoffsättigung zeigen, bis mit der Vasodilatation die arterialisierende Blutflußantwort einsetzt. Ein solches initiales Signal ist seit vielen Jahren Gegenstand heftiger Kontroversen, weil es für die Methode der funktionellen Bildgebung fundamentale Konsequenzen hätte . Dahinter steht die Vorstellung, daß eine unter Aktivierung stattfindende vermehrte Sauerstoffabschöpfung aus den Kapillaren ein direktes neuronales Korrelat darstellt, das kapillär stattfindet. In einem vorübergehenden Anstieg des Deoxy-Hämoglobins ließe sich dieses Korrelat als Signal für die funktionelle Bildgebung einsetzen. Abgesehen von der Frage der Existenz und Meßbarkeit eines solchen Signals ist aber bereits die Annahme, daß neuronale Aktivierung zu einem Anstieg des Sauerstoffverbrauchs führt, umstritten.

Eine etwas ungewöhnlichere Theorie sieht die Blutflußantwort im Dienst der Wärmeregulation. Demnach soll sie das aktivierte Gewebe kühlen. Messungen haben hier Temperaturabnahmen von 0.2°C festgestellt .

1.2.3 Die neurometabolische Kopplung

Welcher Aufgabe kommt die Blutflußzunahme im Rahmen der neuronalen Energiegewinnung nach? Ist das Blut hier vornehmlich Treibstofflieferant oder spült es anfallende Stoffwechselprodukte fort? Was genau brauchen Neurone, um ihrer Aktivität nachzukommen? Es ist evident, daß Nervenzellen in ihrer synaptischen Tätigkeit Energie verbrauchen, sowohl um Transmitter zu produzieren und auszuschütten als auch um ihre Potentiale mit Hilfe von Ionenpumpen einzustellen und aufrecht zu erhalten. Dabei spielt die Frage, ob die Neurone exzitiert oder inhibiert werden, eine untergeordnete Rolle, weil jeder Neurotransmitter energieverbrauchenden Stoffwechselkreisen unterliegt. Als Zweck der neurovaskulären Kopplung könnte man also die Energiezufuhr sehen, bei der Glukose und Sauerstoff für die Erzeugung von ATP durch aerobe Glykolyse dienen.

Vom Gehirn werden etwa 10% des arteriellen Glukosegehalts aufgenommen. Während funktioneller Aktivierung nimmt die Glukoseaufnahme des neuronalen Gewebes um 10-30% zu . Diese Mehraufnahme ist Grundlage der 2-DG-Methode, bei der radioaktiv markierte 2-Deoxy-Glukose injiziert und das Versuchstier unter möglichst isolierten Bedingungen für lange Zeit stimuliert wird. Nach Tötung des Tieres werden Gehirnschnitte angefertigt. Diese belichten dann autoradiographisch einen Film. Die Tatsache, daß sich durch die intrazellulär aufgenommene radioaktive Glukose die kortikalen Kolumnen der aktivierten Areale hochaufgelöst darstellen, zeigt die starke Kopplung, die


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zwischen neuronaler Aktivität und Glukoseaufnahme besteht .

Unter Ruhebedingungen entzieht das Gehirn seinem Blutvolumen etwa 50% des Sauerstoffs mit einem respiratorischen Quotienten von 1. Es liegt daher nahe, daß die regionale Zunahme des Blutflusses unter funktioneller Stimulation neben der Glukosezufuhr auch den für die aerobe Glykolyse notwendigen Sauerstoffmehrbedarf decken soll. 1986 stellten Fox und Raichle das überraschende Ergebnis einer Studie vor, bei der sie mittels Positronenemissionstomographie (PET) simultane Messungen von regionalem Blutfluß und zerebralem Sauerstoffumsatz bei Menschen vorgenommen hatten. Für die Ruhekonditionen zeigte sich eine gute Korrelation zwischen beiden Größen. Unter somatosensorischer Stimulation nahm der regionale Blutfluß um 30% zu, während sich der Sauerstoffumsatz überraschenderweise nicht signifikant änderte. Die Autoren sahen dies als fokale Entkopplung zwischen Blutfluß und Sauerstoffumsatz und zeichneten einen sauerstoffunabhängigen, aber mit der neuronalen Aktivität zusammenhängenden Mechanismus für die Flußzunahme verantwortlich . In einer weiteren Arbeit stellten die beiden PET-Forscher korrespondierende Ergebnisse unter visueller Stimulation vor. Sie konnten zeigen, daß im visuellen Kortex sowohl Blutfluß als auch Glukoseaufnahme unter Stimulation um 50% zunahmen, während sich eine 5%ige Sauerstoffverbrauchzunahme als nicht signifikant erwies . Sie schlußfolgerten, daß die Regulation des lokalen Blutflusses nicht im Zusammenhang mit dem oxidativen Metabolismus steht. Die unter Aktivierung zusätzlich notwendige Energie müßte demnach durch anaerobe Glykolyse bereitgestellt werden. Hierauf weisen auch regionale Zunahmen der Laktatkonzentration unter funktioneller Aktivierung hin . Legt man den von Magistretti und Pellerin vorgeschlagenen Glutamatzyklus zugrunde, so findet diese anaerobe Glykolyse in den Astrozyten statt und dient der Umwandlung von aus dem synaptischen Spalt aufgenommenen Glutamat in Glutamin

Im Anhang ihres Science-Artikels geben Fox und Raichle zu bedenken, daß die geringe Zunahme des Sauerstoffverbrauchs gegenüber den großen Veränderungen von Blutfluß und Glukoseaufnahme in keinem Verhältnis zu stehen scheint. In einer Zusammenfassung ihrer Daten aus beiden Studien sei der Sauerstoffverbrauch aber signifikant. Spätere PET-Studien haben im visuellen Kortex stimulationsbedingte Zunahmen des Sauerstoffverbrauchs von 25% gemessen , konnten aber unter somatosensorischer Stimulation keine Veränderung feststellen .


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Prinzipiell stellt sich bei der neurometabolischen Kopplung die Frage, ob und wie die Blutflußzunahme der Energiebereitstellung für das Gehirn dient. Fest steht, daß die Blutflußzunahme von einer Hyperoxygenierung und einer vermehrten Glukoseaufnahme begleitet ist. Dem anaeroben Metabolismus wird in Hinsicht auf die Transmitterwiederaufbereitung in den Astrozyten ein Stellenwert eingeräumt, der durch Laktatmessungen gestützt wird. Ob in den Neuronen selbst ein verstärkter aerober Umsatz von Glukose stattfindet, ist ebenso umstritten wie die Frage, ob die Blutflußantwort hierfür überhaupt notwendig ist.

Diese Frage stellt sich auch für eine etwaige Triggerfunktion einer frühen Deoxygenierung. Ein Mechanismus, bei dem die aktiven Neurone eine initiale kapilläre Mehrabschöpfung des neuronalen Sauerstoffs bewirken, setzt voraus, daß sich die intrazelluläre und die intramitochondriale Sauerstoffkonzentration bei einer Ankurbelung des aeroben Stoffwechsels durch Verbrauch verringert. Dies hätte zur Folge, daß der O2-Gradient zwischen Blut und Gewebe steiler wird und es somit zur vermehrten Diffusion von Sauerstoff aus dem Blut ins Gewebe kommt. Dieser intravaskuläre pO2-Abfall würde die Konzentration des Deoxy-Hämoglobins ansteigen lassen. Die der initialen Deoxygenierung nachfolgende hyperoxygenierende Blutflußantwort wird in diesem Modell als redundante Sicherung einer adäquaten Sauerstoffzufuhr verstanden, wie Malonek schreibt: "watering the entire garden for the sake of one thirsty flower" .

Eine solche Interpretation läßt die Blutflußantwort unökonomisch erscheinen. Demgegenüber sieht das Modell des diffusionslimitierten Sauerstofftransports in ihr den fein abgestuften Mechanismus, mit dem der Organismus eine gewebsbedingte Barriere der Sauerstoffmehrversorgung überwindet. Zu Beginn steht hierbei die Annahme, daß die Mitochondrien über keine Sauerstoffreserve verfügen. Es gibt Hinweise darauf, daß der Sauerstoffpartialdruck in den Mitochondrien im Ruhezustand gering ist und nicht mehr gesenkt werden kann . Die einzige Möglichkeit, den Motor der Diffusion anzukurbeln, d.h. den Sauerstoffgradienten zwischen Blut und Gewebe zu vergrößern, bestünde dann in einer Anhebung der intravaskulären Oxygenierung. Von Buxton und Frank ist das mathematische Modell des diffusionslimitierten Sauerstofftransports entwickelt worden, das einen solchen Mechanismus beschreibt. Es geht von der Annahme aus, daß es im aktivierten Gehirnareal keine zusätzliche anatomische kapilläre Rekrutierung gibt und der Sauerstoffmetabolismus in Ruhe


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effizient ist, d.h. der Sauerstoff, der in den Mitochondrien ankommt, vollständig verbraucht wird.

Eine Erhöhung des Blutflusses führt nach diesem Modell über die Verkürzung der kapillären Transitzeit zu einer verminderten Extraktionsfraktion des Sauerstoffs. Diese vaskuläre Hyperoxygenierung schafft den benötigten steileren Konzentrationsgradienten zwischen Blut und Gewebe und sorgt für eine erhöhte Sauerstoffspannung, die bis zu den Mitochondrien reicht. Um diese konstant hoch zu halten, ist eine relative Zunahme des Blutflusses nötig, die die Zunahme des Sauerstoffumsatzes um das drei bis zehnfache übersteigt . Die Blutflußantwort wäre dann keine unökonomische Sauerstoffüberflutung der Neurone, sondern vielmehr die einzige Möglichkeit, einem minimalen Sauerstoffmehrbedarf der Mitochondrien nachzukommen.

Zusammengefaßt gibt es demnach einen Konsens über die Kopplung von neuronaler Aktivität und Glukoseaufnahme, unterschiedliche Messungen des aeroben Anteils neuronaler Energiegewinnung und gegensätzliche Meinungen über die Bedeutung und Steuerung der Blutflußantwort im Zusammenhang mit dem Sauerstoffmetabolisums.

1.2.4 Die frühe Deoxygenierung - ein Aktivierungssignal?

Am Ende dieses Kapitels über die Grundlagen der funktionellen Bildgebung soll hier noch einmal zusammengefaßt werden, welche Bedeutung einem initialen Deoxygenierungssignal bei funktioneller Aktivierung beigemessen wird. Die etablierte bildgebende Methode für die kognitive Neurowissenschaft am Menschen ist die BOLD-fMRT. Sie ist nichtinvasiv und sensitiv auf Oxygenierungsveränderungen, die während neuronaler Aktivierung durch die gekoppelte Blutflußantwort hervorgerufen werden.

Es ist möglich geworden, aktivierte Areale mit Hilfe der resultierenden Hyperoxygenierung räumlich zu lokalisieren. Allerdings wird davon ausgegangen, daß diese Lokalisierung ungenau ist. Eine zeitliche Defokussierung ergibt sich, weil die Hyperoxygenierung relativ zur neuronalen Aktivität verzögert ist und sich im Sekundenbereich abspielt. Daß die Hyperoxygenierung auch räumlich defokussiert erscheint, wird auf das komplexe Zusammenspiel zwischen regionalem Blutfluß, Blutvolumen und Sauerstoffverbrauch zurückgeführt, welches alle vaskulären Kompartimente von Arterien bis Venen erfaßt. In diesem diffus Signale erzeugenden Gefäßbaum lassen sich demnach die eigentlich neurometabolisch aktiven Kolumnen nicht mehr abgrenzen.


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Eine frühe Deoxygenierung durch neuronalen Sauerstoffmehrverbrauch würde diesem Zusammenspiel vorausgehen. Es wäre ein neurometabolisches Signal, das sich als Oxygenierungssignal mit der fMRT nichtinasiv messen ließe. Prinzipiell könnte man dieses Signal bei ausreichender Empfindlichkeit der Methode als Grundlage für funktionelle Bilder nutzen, die die neuronale Aktivierung zeitlich im Millisekundenbereich und räumlich bis zur kortikalen Kolumne aufgelöst darstellen.

1.3 Methoden der funktionellen Bildgebung

Eine genaue Karte der neuronalen Aktivierung ließe sich durch eine simultane intrazelluläre Ableitung aller Neurone gewinnen, was technisch nicht möglich ist. Das neuronal gekoppelte Signal, das zur funktionellen Bildgebung genutzt wird, gibt ein indirektes Bild der neuronalen Aktivierung wieder. Es wirkt somit auf seine Weise wie ein Filter. Die Auflösung der jeweiligen Methode, die auf seiner Grundlage funktionelle Bilder erstellt, hat daher eine durch das Signal festgelegte theoretische Grenze. Praktisch definiert sich die Auflösung einer Methode durch einen weiteren Filter, der zwischen Meßgenauigkeit und Signalcharakteristik eingeschoben ist. Um diese Auflösungsgrenzen zu erkennen, muß das jeweilige Meßinstrument der Methode betrachtet werden. Dabei spielt neben dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis auch die Volumengewichtung und die dreidimensionale Auflösung eine Rolle. Diese Probleme stellen wegen der Gyrierung des menschlichen Gehirns eine große Herausforderung dar.

1.3.1 Nuklearmedizinische Methoden

Eine prinzipielle Technik der funktionellen Bildgebung besteht in der Applikation einer strahlenden Substanz, deren Verteilung im Gehirn sich mit der neuronalen Aktivität ändert. Wie bereits erwähnt, wird die neurometabolische Kopplung genutzt, um modifizierte, radioaktive Glukose in die aktivierten Areale zu schleusen. Diese lassen sich im Gehirnschnitt nach Belichtung eines Films lokalisieren. Eine solche am Tiermodell durchführbare 2-Deoxy-Glukose-Methode ist zeitlich auf den Endzustand nach der Stimulation limitiert, kann aber in ihrer funktionellanatomischen Aussagekraft bis zum neuronalen Netz kortikaler Kolumnen vordringen .


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Die Positronenemissionstomographie (PET) ermöglicht mit Einbußen bei der räumlichen Auflösung eine solche Autoradiographie am lebenden Menschen. Auch hier hat man den Glukoseverbrauch unter Stimulation verfolgen können . Allerdings ist die zeitliche Kinetik dieses Signals sehr langsam . Eine Aufnahme des neurovaskulären Kopplungssignals wird durch die Injektion von Positronen emittierendem radioaktiven Wasser (H215O) oder [15O]-Butanol möglich und lieferte die ersten nichtinvasiv gewonnenen funktionellen Bilder des Gehirnblutflusses . Die räumliche Auflösung dieser Methode liegt bei 3-5mm. Das Signal besteht aus je einem Stimulationswert und einem Ruhewert, die miteinander verglichen werden. Für beide Werte muß ein Bolus des Markers injiziert werden. Dessen physikalische und biologische Halbwertszeit begrenzt die zeitliche Auflösung über das minimale Interstimulus-Intervall auf etwa zehn Minuten.

Weil sie den Vergleich von neurovaskulärer und neurometabolischer Kopplung ermöglicht, ist die PET geeignet, grundlegende Zusammenhänge zu erforschen, die zur Entstehung meßbarer Signale im Gehirn führen. Durch die Bolustechnik bedingte lange Stimulationszeiten und lange Interstimulusdauern, ihre Invasivität, sowie der erforderliche Zugang zu einem Zyklotron machen die PET aber teuer und aufwendig, weshalb sie sich im Bereich der Neurowissenschaften nicht als Methode der Wahl etablieren konnte.

1.3.2 Funktionelle Magnetresonanztomographie

Gegenwärtig ist die Magnetresonanztomographie (MRT) neben der Computertomographie Standard in der anatomischen und strukturellen Bildgebung des Gehirns. Die Magnetresonanz beruht auf den intrinsischen magnetischen Eigenschaften von Atomkernen mit einer ungeraden Zahl von Nukleonen. Diese besitzen einen Eigendrehimpuls (Spin). Sie verhalten sich so, als ob sie sich ständig in Rotation befinden würden. Dabei besitzen sie als geladene Teilchen ein magnetisches Dipolmoment. Ähnlich einem mechanischen Kreisel führen sie eine Präzessionsbewegung um die Achse des Magnetfeldes aus, dem sie ausgesetzt sind. Die Umlauffrequenz dieser Präzessionsbewegung ist abhängig von dem gyromagnetischen Ratio ã des Kerns und der Magnetfeldstärke. Sie wird Larmor-Frequenz genannt. Einem starken magnetischen Feld ausgesetzt, richten sich viele Kernspins in einer Richtung aus und bilden als gleichgerichtete Dipole eine gemeinsame Magnetisierung (Mz).

Beim Menschen macht man sich vor allem den Kernspin der Protonen im Wasserstoff zunutze. Diese werden durch eine senkrecht zum äußeren Magnetfeld stehende Spule angeregt. Dies geschieht, indem ein Radiofrequenzpuls ihrer Resonanzfrequenz auf das


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Gewebe gesendet wird. Die gleichgerichteten Kernspins werden dadurch schlagartig gedreht und bilden eine neue gemeinsame Ebene mit der transversen Magnetisierung Mxy. Durch die Rückbewegung der Spins in die Ebene des von außen applizierten Magnetfeldes wird ein Strom in der Spule induziert, der in seiner Amplitude abnimmt. Dieser oszilliert auf der Larmor-Frequenz und wird FID ("free induction decay") genannt. Er bildet das eigentliche Magnetresonanzsignal. Direkt nach der Exzitation durch den Radiofrequenzpuls haben alle Kernspins die gleiche Phase und die maximale Amplitude. Aufgrund der lokalen Wechselwirkungen kommt es dann zu einem Verlust der Phasenkohärenz. Die Magnetisierung Mxy nimmt ab, mit einer Zeitkonstante, die T2 oder auch transverse Relaxationszeit genannt wird. Zusätzlich dazu führen Inhomogenitäten im Meßvolumen zu heterogenen Resonanzfrequenzen, was zu einem rascheren Verlust der Phasenkohärenz mit der effektiven transversen Relaxationszeit T2* führt. Diese Inhomogenitäten entstehen u.a. bei lokalen Zerstörungen von Magnetfeldgradienten durch die unterschiedliche Magnetisierbarkeit verschiedener Moleküle. Ein solcher Effekt wird durch ein paramagnetisches Kontrastmittel verstärkt. Die Wiederherstellung der Magnetisierung Mz entlang des von außen angelegten Magnetfeldes B0 geschieht mit der Zeitkonstante T1.

In den letzten Jahren hat es verschiedene neue Entwicklungen gegeben, die diese nichtinvasive Methode auch für die funktionelle Bildgebung einsetzen, d.h. mit ihrer Hilfe Signale detektieren, die mit neuronaler Aktivität verbunden sind. Zwar gibt es im Tiermodell neuerdings den erwähnten Ansatz einer neuroelektischen Kopplungsmethode durch Einschleusung von Mangan. Die beim Menschen gebräuchliche fMRT basiert aber vor allem auf Signalen der neurovaskulären Kopplung. Es gibt drei wesentliche Methoden, die jeweils unterschiedliche Facetten der Blutflußantwort zur Kontrastgewinnung ausnutzen: die fMRT mit plasmatischem exogenen Kontrastmittel, die BOLD-fMRT und die Perfusions-fMRT.

1.3.2.1 Die fMRT mit plasmatischem exogenem Kontrastmittel

Die ersten MR-Bilder, die eine lokalisierte funktionelle Aktivierung zeigten, waren 1991 auf dem Titelblatt von Science abgebildet . John Belliveau und Bruce Rosen hatten das PET-Prinzip der Marker-Bolus-Technik auf die Magnetresonanzbildgebung übertragen. Sie nahmen Serien von Schnittbildern des Okkzipitalkortex auf, während sie ihrem Probanden einen i.v.-Bolus des paramagnetischen Kontrastmittels Gadolinium injizierten. Dabei verglichen sie Sequenzen unter visueller Stimulation mit Sequenzen ohne Stimulation. Nach Subtraktion des stimulierten vom nichtstimulierten Schnittbild traten in der


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Region des Sulcus calcarinus Areale von veränderten Voxeln hervor. Quantifiziert wurde ein 32%ige Blutvolumenzunahme unter Stimulation.

Paramagnetische Kontrastmittel wie Gadolinium führen bei Erhöhung ihrer Konzentration zu einer lokalen Abnahme im T2- und T2*-gewichteten Signal. Der Grund hierfür liegt in einem Magnetfeldgradienten zwischen intravaskulärem und extravaskulärem Raum, der durch die verminderte intravaskuläre Magnetisierung ensteht ( Abbildung 1 ).

Abbildung 1: Paramagnetisches Kontrastmittel in der zerebralen Mikrozirkulation

Schematisch sind hier zwei Kapillaren dargestellt, in denen sich ein paramagnetisches Kontrastmittel befindet. Die Blut-Hirn-Schranke hält dieses Kontrastmittel im Gefäßinnern, daher verschiebt sich das magnetische Feld im Innern der Kapillaren. Im Gewebe zwischen den Kapillaren existiert ein magnetischer Gradient, der die Intensität des Magnetresonanzsignals in T2- oder T2*-gewichteten Bildern vermindert.
B0, magnetische Induktion.

Zwar verfügte die erste fMRT-Etablierung über eine gute Zeitauflösung von 1.3Hz, sie begegnete allerdings wie die PET dem Problem der Bolusverfolgung. Gadolinium hat eine zu kurze Plasmahalbwertszeit, als daß sich für die Messung ein stabiles Äquilibrium eingestellt hätte. Mit langen Interstimulusintervallen mußte daher immer wieder der Bolustransit festgehalten werden, um ihn dann zu einem Einzelwert integrieren zu können. Die Autoren wiesen darauf hin, daß ein intravaskuläres Kontrastmittel mit langer Halbwertszeit wünschenswert sei, um die Bildgebung im Subsekundenbereich aufzulösen.

Neben Gadolinium wurde Eisenoxid als superparamagnetisches Kontrastmittel entwickelt. Die Opsonierung der Eisenoxidpartikel wurde durch eine Ummantelung mit Dextran (MION - Monorystalline iron oxide nanocompounds) verhindert . Dieses Kontrastmittel erlaubt durch seine lange Halbwertstzeit einen Äquilibriumzustand. Es hat sich als hoch auflösend im Tiermodell gezeigt und kann die relative dynamische Kinetik des regionalen Blutvolumens wiedergeben .


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1.3.2.2 Die fMRT mit dem BOLD-Kontrast

Daß eine weitere Entwicklung eines paramagnetischen Kontrastmittels mit langer Halbwertszeit für den Menschen nicht vorangetrieben wurde, hatte vielleicht mit einer Entdeckung Ogawas zu tun: Er stellte fest, daß Hämoglobin im deoxygenierten Zustand paramagnetisch ist und daher als endogenes Kontrastmittel ein Bild von der Blutoxygenierung liefern kann. Er nannte den entstehenden Kontrast nach dieser Erkenntnis BOLD-Kontrast, wobei BOLD für "blood oxygen level-dependent" steht . Wenig später veröffentlichte er die ersten funktionellen Bilder, die eine Veränderung dieses Kontrastes im Rattenhirn unter globaler Stimulation zeigten.

Die ersten Bilder der BOLD-fMRT am Menschen wurden von Kwong veröffentlicht. Er konnte unter visueller Stimulation eine Zunahme des BOLD-Signals feststellen, deren Ausdehnung den primär visuellen Kortex nachzeichnete . Entsprechende Versuche anderer Gruppen kamen zu ähnlich beeindruckenden Ergebnissen . Es war demnach möglich geworden, ohne Injektion eines Kontrastmittels fMRT-Bilder zu erstellen, unter Ausnutzung des intrinsischen Kontrastmitteleffekts durch das in den Erythrozyten vorhandene paramagnetische Deoxy-Hämoglobin.

PET-Studien hatten bereits gezeigt, daß die neuronal gekoppelte Blutflußantwort zu einer Hyperoxygenierung führt. Das bedeutet, daß der Anteil des deoxygenierten Hämoglobins sinkt und somit Kontrastmittel herausgespült wird. Die physiologische Grundlage der BOLD-fMRT wird diesem Effekt zugeschrieben. Dank ihrer einfachen Praktizierbarkeit und ihrer Nichtinvasivität wurde die BOLD-fMRT zur Standardmethode der funktionellen Bildgebung. Inzwischen gibt es zahlreiche Weiterentwicklungen im Bereich des experimentellen Aufbaus und der Datenauswertung. Die Aufbruchsstimmung im Bereich der Hirnkartierung ist wesentlich dieser Methode zu verdanken.

1.3.2.3 Die perfusionsgewichtete fMRT

Eine weitere nichtinvasive Technik, die die fMRT bietet, besteht in der Messung des Blutflusses durch Spin-Markierung. Hierbei wird weder der Bolus eines exogenen noch die Konzentrationsveränderung eines endogenen Kontrastmittels verfolgt. Stattdessen werden die Protonen eines Blutvolumenbolus "markiert", indem mittels einer an die Halsschlagader angelegten Spule ein Radiofrequenzpuls auf das einströmende Blut übertragen wird. Die exzitierten Protonen im Blut bilden einen Bolus, der als temporäres Kontrastmittel innerhalb


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des Gehirns verfolgt werden kann. Mit seiner regionalen Transitkinetik liefert er quantifizierbare Aussagen über den Blutfluß . Der Vergleich von BOLD und Blutflußsignal in der fMRT ist zum einen wegen seiner Bedeutung für die Erforschung des aeroben Metabolismus, zum anderen aber auch im Zusammenhang mit Fragestellungen der räumlichen Auflösung verfolgt worden. Dabei hat sich in einer kürzlich veröffentlichten Arbeit eine hohe Auflösung dieser Methode gezeigt, die kortikale Kolumnen im visuellen Kortex der Katze darstellen konnte .

1.3.2.4 Die Auflösung der BOLD-fMRT

Die funktionelle Magnetresonanztomographie wurde in den letzten 10 Jahren in verschiedene Richtungen weiterentwickelt, um bestimmten Fragestellungen im Rahmen der neurovaskulären Kopplung und der funktionellen Bildgebung nachzugehen. Die BOLD-fMRT läßt sich am einfachsten praktizieren. Sie erstellt funktionelle Aktivierungskarten des menschlichen Gehirns, die sich mittels einer guten Datenanalyse immer besser auf die anatomischen Verhältnisse übertragen lassen. Gestützt durch immer stärkere Magneten und schnellerer Rechnerleistungen hat diese Methode das Potential, in die Millimeter- und Millisekundenskala vorzudringen.

Es ist zu bedenken, daß diese technische Auflösung nur so weit genutzt werden kann, wie sie nicht auf den physiologischen Filter stößt, der durch die neurovaskuläre Kopplung gegeben ist. Bei jeder technischen Weiterentwicklung stellt sich die Frage, ob das von der BOLD-fMRT aufgenommene Hyperoxygenierungssignal überhaupt neuronale Interaktionen im Kolumnenbereich sichtbar machen kann, oder ob es nicht bedingt durch seinen vaskulären Ursprung anders verlaufenden räumlichen und zeitlichen Grenzen unterliegt. Räumlich ergeben sich diese aus den kompartimentübergreifenden Auswirkungen einer Blutflußzunahme. Das BOLD-Signal ist abhängig von der Deoxy-Hb-Konzentration. Damit ist es besonders sensitiv auf Signale aus dem sauerstoffarmen Blut der Venen. Das drainierte Mikrozirkulationsareal ist einer solchen Vene oft nicht zuzuordnen. Dieses Problem führte zu einer Kontroverse über die räumliche Exaktheit der BOLD-fMRT, der sogenannten "Brain-versus-vein debate". Zeitliche Grenzen der Auflösung ergeben sich aus der Trägheit, mit der das Blutflußsignal einsetzt und seiner langsamen Rückbildung.

Um Aussagen über die räumliche und zeitliche Charakteristik der Hyperoxygenierung zu treffen, aber auch um anderen mit der BOLD-fMRT meßbaren Oxygenierungssignalen nachzugehen, die möglicherweise enger an die neuronale Aktivität gebunden sind, sollte die


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Kinetik der neurovaskulären Kopplung mit einer unabhängigen Methode untersucht werden. Hier bietet das Hämoglobin eine weitere oxygenierungsabhängige Signalquelle: sein Absorptionsspektrum. Dies ist die Grundlage der optischen Methoden, auf die im folgenden Kapitel eingegangen wird.

1.3.3 Optische Methoden

Schon seit vielen Jahren gibt es verschiedene Methoden, die aktivitätsassoziierte Signale im Gehirn optisch detektieren. Dies ist auch beim Menschen möglich: Licht im Nahinfrarotbereich wird transkraniell durch die Schädelkalotte in das Gehirn gesendet und die Veränderungen des transmittierten Lichtes gemessen. Die damit empfangenen spektral aufgelösten Signale lassen Aussagen über Verfärbungen im Innern des Gehirns zu. Bedingt durch die komplexen Transporteigenschaften von Licht im Gewebe sind Aussagen über die Herkunft und Quantifizierung dieser Signale schwierig, was die räumliche Auflösung und damit ihren Einsatz für die funktionelle Bildgebung noch begrenzt .

Andererseits gibt es im Tiermodell zahlreiche invasive Verfahren, bei denen mittels eines kraniellen Fensters die kortikale Oberfläche freigelegt und so zumindest in der planaren Dimension funktionelle Neuroanatomie mittels optischer Methoden studiert werden kann. Die Tatsache, daß diesen Signalen neben Streuungsveränderungen vor allem Absorptionsveränderungen durch die im Blut vorherrschenden Hämoglobinverhältnisse zugrundeliegen, macht diese Methoden im Zusammenhang mit neurometabolischen und neurovaskulären Fragen grundsätzlich interessant. Sie erlauben Aussagen über die Grundlage des BOLD-Signals, das ebenfalls auf Hämoglobinveränderungen beruht. Das einflußreichste Postulat, das aus dem Bereich optischer Gehirnforschung gestellt wurde, ist die Theorie der frühen Deoxygenierung. Sie beruht im wesentlichen auf Erkenntnissen zweier Methoden, dem Optical Imaging und der Imaging Spectroscopy.

1.3.3.1 Optical Imaging of Intrinsic Signals

Bereits 1986 zeigte Grinvald in Zusammenarbeit mit Wiesel erste funktionelle Bilder des Kortex mittels neurovaskulär gekoppelten Absorptionsveränderungen. Er hatte bei Versuchen mit spannungsempfindlichen Farbstoffen ein optisches Signal gemessen, das ihn störte. Dieses Signal trat auch ohne Applikation von Farbstoffen hervor. Es war demnach intrinsisch und auf Konzentrationsveränderungen physiologischer Chromophoren zurückzuführen. Im jeweiligen kraniellen Fenster tauchte es bei der somatosensorischen Stimulation der Ratte


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ebenso auf wie bei der visuellen Stimulation der Katze. Bei letzterer zeigten sich komplementäre kortikale Areale, die jeweils auf vertikal bzw. horizontal bewegte Gitterpräsentationen eine größere Reflektionsveränderung zeigten. Diese Areale zeigten eine gute Übereinstimmung mit elektrophysiologischen Messungen: Zum ersten Mal konnten so die von Hubel und Wiesel beschriebenen neuronalen Funktionseinheiten im visuellen Kortex mittels eines intrinsisch gekoppelten optischen Signals dargestellt werden . Dieses optische Signal bildete sich aus der Messung des reflektierten Lichtes bei Beleuchtung des Kortex mit Licht des Wellenlängenbereichs 610-750nm. Im aktivierten Areal zeigte sich eine stimulationskorrelierte Absorptionsabnahme.

Nach diesen ersten Versuchen zum sogenannten "Optical Imaging of Intrinsic Signals" wurde die Methode präzisiert und weiterentwickelt. Es stellte sich heraus, daß sie besonders am Tiermodell der Katze und des Affen funktionelle Neuroanatomie in vivo darstellen konnte. Der Kortex wurde jeweils mit monochromatischem Licht der Wellenlänge 570nm beleuchtet und mit einer Videokamera aufgenommen. Besonders während der getrennten visuellen Stimulation des rechten und linken Auges zeigten sich Absorptionszunahmen, die funktionelle Einheiten abgrenzbar machten. Zwar verdunkelte sich unter beiden Stimulationen der gesamte visuelle Kortex. Ein Differenzbild, errechnet durch Subtraktion der Pixelwerte unter Stimulation rechts von denen unter Stimulation links zeigte aber komplementäre Areale positiver und negativer Absorptionsveränderungen. Diese ließen sich ihrer Verteilung nach den elektrophysiologisch beschriebenen okularen Dominanzsäulen zuschreiben. Mit einer solchen Struktur organisiert der visuelle Kortex korrespondierende räumliche Informationen beider Augen in benachbarten Kolumnen.

Der Zusammenhang zwischen funktioneller Stimulation und regionaler Blutflusszunahme war schon lange beschrieben und mit verschiedenen Methoden bewiesen worden. Es lag daher nahe, diese durch Lichtabsorption entstandenen funktionellen Karten des Gehirns auf Konzentrations- und Oxygenierungsveränderungen des Blutfarbstoffs Hämoglobin zurückzuführen. Eine spektrale Darstellung, bei der die Amplituden der Veränderung in verschiedenen Wellenlängen nebeneinanderaufgetragen wurden, bestätigte diese Annahme. Das Spektrum deckte sich gut mit einem Absorptionsspektrum des Hämoglobins in seinem oxygenierten Zustand (Oxy-Hb). Die Wellenlänge 570nm ist ein isosbestischer Punkt des Hämoglobins: hier besitzt es oxygeniert und deoxygeniert den gleichen Extinktionskoeffizienten. Unter Vernachlässigung anderer Chromophoren läßt sich eine Absorptionszunahme von Licht dieser Wellenlänge als Zunahme der


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Hämoglobinkonzentration und damit des regionalen Blutvolumens interpretieren. Demnach beruhten die funktionellen Bilder der okularen Dominanzsäulen wahrscheinlich auf einer hochaufgelösten regionalen Blutvolumenzunahme. Überprüft und bestätigt wurde diese Annahme durch eine andere Methode der Blutvolumenmessung, die eine solche funktionelle Karte reproduzieren konnte. Dem Tier wurde dabei ein extrinsischer fluoreszierender Farbstoff injiziert und die Fluoreszenzbilder unter Stimulation beider Augen verglichen .

In eine ganz andere Richtung interpretierten die Autoren das Absorptionsverhalten der kortikalen Oberfläche bei Beleuchtung mit Licht der Wellenlänge 600-630nm. Die funktionellen Bilder, die sich mit diesem Licht ergaben, zeigten ähnlich gute Ergebnisse wie die der 570nm-Messung. Die aktivierten Areale erschienen aber schärfer voneinander abgegrenzt. Die Autoren behaupteten, auf diesen Bildern sei der Sauerstoffverbrauch der Neurone durch eine lokalisierte Deoxygenierung des Hämoglobins direkt sichtbar. Sie begründeten diese Annahme mit zwei Feststellungen:

  1. Das Extinktionsspektrum von Deoxy-Hb zeigt im Bereich 600-630nm einen 5-10fach höheren Extinktionskoeffizienten als Oxy-Hb (siehe auch Abbildung 8 ). Die Absorptionsveränderung bei 600-630nm sei daher vor allem durch Deoxy-Hb bedingt und der Beitrag von Oxy-Hb vernachlässigbar.
  2. Das Absorptionssignal des Blutvolumens (570nm) ist monophasisch: es nimmt auf Stimulation hin zu und nach Stimulationsende wieder ab. Demgegenüber ist das Absorptionssignal bei 600-630nm biphasisch: in einer frühen Phase (< 2s) nimmt es zu, danach nimmt es ab und wird negativ (verminderte Absorption). Nach Stimulationsende nimmt es wieder zu. Dieser unterschiedliche Zeitverlauf liegt der Annahme zugrunde, daß der Ausspülung von Deoxy-Hb im Rahmen der Blutflußantwort (mit später verminderter Absorption bei 600-630nm) eine initiale Deoxygenierung vorangeht (mit früher vermehrter Absorption bei 600-630nm).

Beide Argumente erscheinen miteinander verknüpft: nur wenn davon ausgegangen wird, daß die Absorption bei 600-630nm ein "reines" Deoxy-Hb-Signal registriert, ist es möglich, den biphasischen Verlauf mit einer frühen Deoxygenierung zu erklären. Um die Natur ihrer besser abgrenzbaren funktionellen Aktivierungskarten zu beweisen, waren die Autoren gefordert, das 600-630nm-Signal genauer zu untersuchen. Sie entwickelten das monochromatische System


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des Optical Imaging of Intrinsic Signals weiter zur Imaging Spectroscopy, die das reflektierte Licht spektral aufteilen konnte.

1.3.3.2 Imaging Spectroscopy

Wenn es zutrifft, daß die intrinsischen optischen Signale die Durchmischung und Neuzusammensetzung mehrerer Chromophoren wiedergeben, so liefert eine Wellenlänge nicht genug Information, um den individuellen Beitrag jedes Chromophors zu der Veränderung zu bestimmen. Aus diesem Grund entwickelten Malonek und Grinvald ein System, das die kortikale Reflektion von weißem Licht räumlich und spektral auflösen kann. Dieses Imaging Spectroscopy System wurde auch in dieser Studie verwendet und ist im Methodenteil unter Kapitel 2.3.2 näher erläutert. Kurz zusammengefaßt handelt es sich um ein optisches System, das ein schlitzförmiges Bild des weiß beleuchteten Kortex mit Hilfe eines optischen Gitters in seine spektralen Anteile auffächert.

Die hierbei gemessenen Abschwächungsspektren lassen sich mit dem Lambert-Beer-Algorithmus an die Extinktionsspektren von Oxy-Hb und Deoxy-Hb anpassen. Die Lösung eines multilinearen Gleichungssystems liefert die Konzentrationsveränderungen dieser beiden Farbstoffe im Zeitverlauf.

Malonek und Grinvald etablierten dieses System wieder im Rahmen von Experimenten am visuellen Kortex der Katze. Bei einer visuellen Stimulation mit bewegten Gittern zeigten sowohl Deoxy-Hb als auch Oxy-Hb einen Konzentrationsanstieg. Der Deoxy-Hb-Anstieg war nur vorübergehend und noch innerhalb der 4s-Stimulationsperiode kehrte sich das Signal zu negativen Werten um, die die ca. dreimal so große Konzentrationsabnahme einleiteten.

Ein Stimulationsbild unter Präsentation horizontal bewegter Gitter wurde durch eines unter Präsentation vertikal bewegter Gitter geteilt. Die resultierenden Spektren (hier "Mapping"-Signal genannt) wurden ebenfalls in Konzentrationsveränderungen von Oxy-Hb und Deoxy-Hb umgerechnet. Diesem "Mapping" Signal wurde die relative Chromophorveränderung zwischen den beiden Stimulationen zugeschrieben. Die Pixel mit einer errechneten Zunahme von Oxy-Hb zeigten ebenso wie die Pixel mit einer Zunahme von Deoxy-Hb funktionelle Aktivierungskarten. Die Areale grenzten sich aber bei der Deoxy-Hb-Karte besser voneinander ab. In der Schlußfolgerung sahen die Autoren die Theorie einer frühen Deoxygenierung bestätigt, weil sie einen vorübergehenden frühen Anstieg des Deoxy-Hb


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errechneten und sich mit diesem Signal eine deutlichere Abgrenzung funktioneller Areale zeigte.

Eine Deoxygenierung durch initialen Sauerstoffverbrauch würde bedeuten, daß vor dem Einsetzen vaskulärer Ereignisse dem Blut Sauerstoff entzogen würde, d.h. Oxy-Hb zu Deoxy-Hb konvertieren müßte. Die Imaging Spectroscopy zeigte aber nur einen Oxy-Hb-Anstieg. Dem Argument, daß sich eine frühe Deoxygenierung nicht nur in einem Deoxy-Hb-Anstieg sondern auch in einem Oxy-Hb-Abfall zeigen müßte, begegneten die Autoren mit nicht leicht nachvollziehbaren Argumenten. Zwar sei eine komplementäre Reduzierung des Oxy-Hb nicht detektiert worden, doch ließe sich immerhin eine zeitliche Verzögerung der Oxy-Hb gegenüber der Deoxy-Hb-Veränderung im "Mapping Signal" zeigen, d.h. der Veränderung, die zwischen den zwei verschiedenen, orthogonal orientierten visuellen Stimulationen besteht. Diese sei im "Global Signal", d.h. in der Veränderung, die gegenüber der Spontanaktivität stattfindet, nicht mehr auszumachen. Die Blutflußantwort setze zu schnell ein: "a fast and highly localized blood volume and flow redistribution in the capillaries may account for this cancellation" .

Der Impuls dieser Arbeit war an die funktionelle Bildgebung mit fMRT gerichtet. Aus diesen Dimensionen der Mikrokolumnen sah man sich als Wegbereiter zukünftiger Gehirnforschung am Menschen. Ein initiales Deoxygenierungssignal sollte bei ausreichender Verfeinerung der Methode auch das BOLD-fMRT revolutionieren. Beachtet werden sollte in diesem Zusammenhang, daß auf eine genauere Betrachtung der optischen Eigenschaften des Gehirngewebes verzichtet wurde. In den Berechnungen der Konzentrationsveränderungen wurde das Gehirn als optisch inert wie eine Küvette modelliert. Die dargestellten Oxy-Hb und Deoxy-Hb-Signale entsprechen also einer ersten Näherung.

Ein Ziel der vorliegenden Studie bestand darin, der vereinfachten, qualitativen Analyse eine weitere, quantifizierbare Analyse gegenüberzustellen, unter Berücksichtigung der Pfadlängenunterschiede des Lichtes, die sich durch die Absorptions- und Streuungseigenschaften des Gehirngewebes ergeben.

1.4 Offene Fragen in der funktionellen Bildgebung

Wie in den vergangenen Kapiteln angedeutet, gehen die Meinungen über reproduzierbare Signalcharakteristika im Bereich der funktionellen Bildgebung oft auseinander. Im Bereich der Spektroskopie, die auf der Grundlage von optischen Absorptionsveränderungen Aussagen


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über Farbstoffkonzentrationen treffen will, hat sich der verwendete Algorithmus als kritisch erwiesen. Das Licht kann sich in verschiedenen Modellen ganz anders verhalten. Bei der fMRT besteht eine Kontroverse darüber, ob es vor dem positiven BOLD-Signal noch ein negatives gibt, das einer Deoxygenierung gleichkommt. Für beide Methoden ist es wünschenswert, das Meßvolumen und die zugrundeliegenden Veränderungen gut zu kennen.

Die Grundlagen einer Methode mit der gleichen Methode zu untersuchen, birgt die Gefahr eines Zirkelschlusses. Unabhängige Methoden aber können ihre Signale gegenseitig hinterfragen. Somit kann ein Methodenvergleich komplementäre Perspektiven zusammenführen und die gemessene funktionelle Aktivierung in ihrer physikalischen Prozeßfolge genauer beschreiben. Sich einem Modell der vaskulären Antwort zu nähern führt in Kontroversen, die das Feld der funktionellen Aktivierung noch immer beherrschen. Dieses Kapitel stellt zwei zentrale Fragen aus dieser Reihe von Kontroversen vor, die auch die Schwerpunkte der vorliegenden Studie bildeten.

1.4.1 Gibt es eine frühe Deoxygenierung?

Die Suche nach einer hochauflösenden funktionellen Bildgebung, die kortikale Kolumnen differenziert, ist vor allem die Suche nach einem meßbaren Phänomen, das so nah wie möglich an der Nervenzelle stattfindet und so eng wie möglich an deren Aktivierung gekoppelt ist. Der neuronale Sauerstoffverbrauch wäre ein solches Phänomen. Wenn es physiologischerweise immer zu einem Anstieg des Sauerstoffverbrauchs käme, sobald eine neuronale Kolumne aktiviert wird, so wäre ein Durchbruch im Bereich der Hirnkartierung möglich, vorausgesetzt, dieser Anstieg ließe sich vor der hyperoxygenierenden Blutflußantwort detektieren. Aktivierte Neurone könnten dann optisch oder magnetresonanztomographisch über eine initiale kapilläre Entsättigung des Hämoglobins lokalisiert werden.

Seit sie zum ersten Mal postuliert wurde, war die frühe Deoxygenierung Gegenstand vieler Studien. Ein entsprechender Anstieg des Deoxy-Hb erzeugt einen Abfall im BOLD-Signal. Daher wird die frühe Deoxygenierung auch als "initial Dip" bezeichnet. Eine Übersicht hierfür relevanter Arbeiten zeigt Tabelle 1 .

Zusammengefaßt ergeben sich nur bei der Katze und beim Affen eindeutige Hinweise auf eine frühe Deoxygenierung. Beim Menschen und bei der Ratte gehen die Ergebnisse der Studien auseinander. In der fMRT wird die fehlende Detektierbarkeit des negativen BOLD-


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Signals oft auf eine zu geringe Sensitivität der gegenwärtigen Technologie zurückgeführt. Die verwendeten Magneten seien mit Feldstärken bis 3T zu schwach. Bei der Ratte zeigte sich aber auch bei hohen Feldstärken von 9.4T keine frühe Deoxygenierung im BOLD-Signal .

Tabelle 1: Arbeiten zu einer frühen Deoxygenierung ("Dip") in der Übersicht

Zitat

Methode

Spezies und Stimulation

Signal früher Deoxygenierung

 

MRS

Mensch visuell

Ja

 

fMRT

Mensch visuell

Ja

 

NIRS

Mensch motorisch

Nein

 

fMRT

Mensch visuell

Ja

 

NIRS

Mensch visuell

Nein

 

fMRT

Mensch visuell

Nein

 

fMRT

Affe visuell

Ja

 

IS

Katze visuell

Ja

 

O2 abh. PQ

Katze visuell

Ja

 

fMRT

Katze visuell

Ja

 

fMRT

Ratte somatosensorisch

Nein

 

MS

Ratte somatosensorisch

Ja

 

IS

Ratte somatosensorisch

Ja

 

fMRT

Ratte somatosensorisch

Nein

(MRS: Magnetresonanzspektroskopie, fMRT: funktionelle Magnetresonanztomographie, NIRS: Nahinfrarotspektroskopie, IS: Imaging Spectroscopy, O2 abh. PQ: sauerstoffabhängiges Phosphorescence Quenching, MS: Microfiber Spectroscopy)

Die Kombination mehrerer Methoden am gleichen Tier- und Stimulationsmodell ist bislang nicht zum Einsatz gekommen und erscheint im Hinblick auf die Vergleichbarkeit der beiden Hämoglobinsignale vielversprechend. Zwar ist der quantitative Zusammenhang zwischen magnetresonanzabgeleitetem BOLD-Signal und spektroskopisch gemessenem Deoxy-Hb-Signal bereits mit Hilfe der NIRS bestimmt worden . Allerdings ist die frühe Deoxygenierung mit dieser optischen Methode noch nicht detektiert worden, was unter anderem mit der Eindringtiefe des Nahinfrarotlichts erklärt wird. Das resultierende Meßvolumen ist demnach so groß, daß das lokalisierte Deoxygenierungssignal darin


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untergeht. Die Imaging Spectroscopy arbeitet mit Licht des sichtbaren Spektrums, das nicht so tief eindringt. Diese Methode, mit der der Deoxy-Hb-Anstieg errechnet und das Potential des "Dip"-Signals postuliert wurde, ist der fMRT noch nicht direkt gegenübergestellt worden.

Die vorliegende Studie vergleicht die Imaging Spectroscopy mit der fMRT, indem sie jeweils unter gleichen experimentellen Bedingungen funktionelle Aktivierung im somatosensorischen Kortex der Ratte mißt. Neben der frühen Deoxygenierung geht es auch um die prinzipielle Vergleichbarkeit der beiden Methoden: Folgen die bei Aktivierung gemessenen Oxygenierungs- und Blutvolumenveränderungen in der fMRT und der Imaging Spectroscopy der gleichen Kinetik?

1.4.2 Wie sieht die normale Blutflußantwort aus?

Neben der Frage nach einer metabolischen Komponente innerhalb der frühen Phase einer Stimulation ist auch eine genauere Evaluation der rein vaskulären Antwort notwendig. Dies betrifft zum einen die räumliche Auflösung. Fände man beispielsweise innerhalb der Blutflußantwort ein Charakteristikum, über welches sich ein bestimmtes Kompartiment der vaskulären Architektur identifizieren und isolieren lässt, so wäre dies ein Ansatz, die neurovaskuläre Antwort zu fokussieren und damit die räumliche Auflösung zu verbessern. In diesem Zusammenhang steht unter anderem die Erforschung des Flußsignals mittels perfusionsgewichteter fMRT. Dieses Signal könnte sich mit seiner vorwiegend arteriellen Herkunft für eine bessere Abgrenzung funktioneller Areale eignen .

Zum anderen ist eine genauere Beschreibung der Blutflußantwort und ihres Verhältnisses zur verursachenden Stimulation auch ein Weg, sich auf der zeitlichen Achse einer feiner aufgelösten Struktur neuronaler Zusammenhänge zu nähern. Ein Weg hierzu ist die direkte Erforschung sehr kurzer Stimulationen mit der fMRT . Ließe sich zum Beispiel eine Blutflußantwort auf eine lange Stimulation aus der Vervielfachung einer Blutflußantwort auf eine kurze Stimulation synthetisieren, so wäre dies ein Ansatz, die neurovaskuläre Kopplung zeitlich in Elementarantworten aufzuteilen, die ein definiertes neuronales Entladungsmuster repräsentieren. Mit einer solchen Analyse könnte die fMRT neuronale Aktivität zeitlich differenzierter charakterisieren.

Ein prinzipielles Problem der BOLD-fMRT ist die Abhängigkeit des Signals von Blutoxygenierung, Blutvolumen und Sauerstoffverbrauch. Hilfreich sind Untersuchungen zu


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ihren Grundlagen vor allem dann, wenn sie diese Hauptkomponenten der Blutflußantwort voneinander trennen und in ihrem Verhältnis zueinander beschreiben können. Mit einem fundierten Modell dieser Blutflußkinetik läßt sich dann die zugrundeliegende neuronale Aktivität besser herausstellen.

Durch die neurovaskuläre Kopplung kommt es zur regionalen Zunahme des Blutflusses. Diese ist definiert als ?V/t, d.h. als Volumenveränderung pro Zeit, und setzt sich zusammen aus einer longitudinalen Komponente (der Geschwindigkeit, ?s/t) und einer transversalen Komponente (der Querschnittsveränderung des Gefäßes, ?A,). Die letztere, transversale Komponente bestimmt die regionale Blutvolumenzunahme. Einen Zusammenhang zwischen dieser meßbaren Volumenveränderung und der sie verursachenden Flußveränderung hat Mandeville beschrieben. Er modellierte einen postarteriolären Windkessel. Das Windkesselprinzip stammt aus dem Mittelalter, als man einen Ledersack an das Ende eines Wasserschlauches anbrachte, der durch seine Volumenspeicherung den pulsatil gepumpten Wasserstrom glättete. Als mathematisches Modell für die Funktion der Aorta wurde es vor über 100 Jahren von Frank vorgestellt .

In einem System mit Compliance, d.h. elastischem Zusammenhang zwischen Druck und Volumen, ergibt sich für die temporäre regionale Veränderung des Flusses:

Gleichung 1

wobei F als Einstrom und V/ô als Ausstrom aus dem Meßvolumen gesehen werden kann. Befindet sich das System in einem Gleichgewicht mit dV/dt = 0, so entspricht dies dem zentralen Volumenprinzip . Eine schematische Darstellung der Verhältnisse im gemessenen Kompartiment (Voxel oder Pixel) zeigt Abbildung 2 A. Im Rahmen einer Flußzunahme wird extravaskuläres Volumen verdrängt, mit der gleichen Rate, mit der das regionale Blutvolumen zunimmt (FEV=dV/dt). Die Tatsache, daß es sich hierbei nicht um einen echten Fluß, sondern um eine Volumenspeicherung im Gefäßsystem handelt, macht das Gefäßsystem in seinem Verhalten einem Ballon vergleichbar . Auf elektrische Schaltelemente übertragen läßt sich dieser mit einer Parallelschaltung von Widerstand (im Druckgefälle zum zentralen Venendruck, CVP) und Kondensator (im Druckgefälle zum intrakraniellen Druck, ICP) beschreiben ( Abbildung 2 B).


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Abbildung 2: Windkesselmodell der regionalen Blutvolumenzunahme

(A) schematische Darstellung der Volumenverhältnisse im Voxel (FIN: Einstrom, FOUT: Ausstrom, FEV: Strom des extravaskulären Volumens aus dem Voxelbereich während im Windkessel Volumen elastisch gespeichert wird, dV/dt)
(B) Die Eigenschaften des postarteriolären Windkessels, übertragen auf einen elektrischen Schaltkreis: Der Einstrom wird durch die Arteriolen (RA) reguliert und wirkt in zwei Richtungen. Eine transversale Flußkomponente (dV/dt) speichert elastisch Volumen unter Verdrängung von extravaskulärem Volumen. Dieser Vorgang ist abhängig vom Druckgefälle zum intrakraniellen Druck (ICP) und der Kapazität des Windkessels (CW). Die longitudinale Flußkomponente (FOUT) wird durch den Windkesselwiderstand (RW) reguliert und vom Druckgefälle zum zentralen Venendruck (CVP) bestimmt.
aus .

Das arterioläre Blutvolumen wird wegen seines geringen Anteils von 3-5% am Gesamtvolumen vernachlässigt. Die Arteriolen sind dem kapillär-venösen Ballon als Widerstandsgefäße (RA) vorgeschaltet. Die Transitzeit ô durch den Ballon ergibt sich in diesem System als Produkt aus Widerstand und Kapazität, ô = RC. Sie bestimmt in ihrer zeitlichen Veränderung sowohl die Kinetik des Flußsignals als auch die des Volumensignals. Wenn der arterioläre Widerstand abnimmt, nimmt auch die Transitzeit ab. Dabei kommt es parallel zur Erhöhung des Ausstroms (FOUT) zur Aufladung des Kondensators (dV/dt), d.h. die Gefäße speichern lokal Volumen.

Das Verhältnis von Fluß- zu Volumenveränderungen wurde mit PET unter der zerebralen Antwort bei Hyperkapnie auf (F/F0)~(V/V0)2.6 bzw. mit fMRT-Messungen unter somatosensorischer Stimulation auf (F/F0)~(V/V0)2.8 beziffert.

Nach dem abrupten Ende der Blutflußantwort durch Konstriktion der arteriolären Widerstandsgefäße und Wiederherstellung ihres ursprünglichen Tonus ist nach diesem Modell noch Volumen im kapillär-venösen Ballon gespeichert. Eine langsame Entleerung dieses venösen Volumens wird für eine Hypooxygenierung nach dem Stimulationsende, den sogenannten "BOLD post-stimulus undershoot", verantwortlich gemacht, der in den meisten fMRT-Studien beschrieben wird.


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Die CBV-Messungen mit MION-fMRT zeigten während prolongierter Stimulation statt eines stabilen Plateaus eine allmähliche weitere Blutvolumenzunahme. Als Ursache wurde eine Veränderung der viskoelastischen Eigenschaften des venösen Ballons im Sinne einer Streßrelaxation vermutet . Dies ist ein physiologischer Mechanismus glatter Muskelzellen, sich unter dauerhafter Volumenbelastung aktiv zu entspannen. Die resultierende Compliance führt dann zu zusätzlicher Volumenspeicherung. Eine solche verzögerte Compliance ist an isolierten Halsvenen gezeigt worden . Vorausgesetzt, daß sie auch in vivo wirksam ist, läßt sich mit ihr diese langsame, zusätzliche Komponente der Blutvolumenzunahme unter prolongierter Stimulation erklären.

Weil das Windkesselmodell die Blutflußantwort mathematisch beschreiben könnte, ist seine weitere Überprüfung durch vergleichende Messungen verschiedener Methoden wichtig. Das Modell bietet neben seiner Anwendung in der Erforschung neurovaskulärer Kopplungsmechanismen eine Grundlage für die Verbesserung der funktionellen Bildgebung. Die mathematischen Implikationen für eine zukünftige Auswertung von fMRT-Daten sind bereits aufgenommen worden . Mit einer solchen Modellierung lassen sich möglicherweise Antwortmuster finden, auf deren Grundlage sich gleichartig verhaltende Neuronengruppen abgrenzen. Bei Anwendung moderner Mustererkennung könnten so genauere Aussagen über deren zeitliche und räumliche Interaktion getroffen werden. Eine solche "Dekodierung" des fMRT-Signals erfordert unter anderem Aussagen über den Zusammenhang von Stimulationsparadigmen und der Signalkinetik der neurovaskulären Kopplung. Diese Aufgabenstellung bestimmt einen weiteren Teil dieser Arbeit, der das Verhältnis der Blutflußantwort zur Stimulationsdauer untersucht und ihre jeweiligen Charakteristika in der Messung durch fMRT und Imaging Spectroscopy vergleicht.


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1.5 Hypothesen

Im Hinblick auf die beschriebenen Probleme der gegenwärtigen funktionellen Bildgebung wurden die nachfolgend aufgelisteten Hypothesen aufgestellt. Die Hypothese 1 wurde durch Experimente mit optischen Methoden geprüft, wobei zwei Analysealgorithmen verglichen wurden. Die Hypothesen 2-4 wurden sowohl durch optische als auch durch magnetresonanztomographische Methoden geprüft.

Hypothese 1:

Die Vernachlässigung differentieller Pfadlängen im streuenden Gewebe kann bei der spektroskopischen Analyse von Absorptionsveränderungen eine artifizielle Konzentrationszunahme des deoxygenierten Hämoglobins errechnen.

Hypothese 2:

Das frühe zerebrale Blutvolumensignal bei somatosensorischer Stimulation lokalisiert über eine initiale kapilläre Füllung aktivierte kortikale Kolumnen.

Hypothese 3:

Während einer somatosensorischen Stimulation bleibt das zerebrale Blutvolumen in der aktivierten Region erhöht und hyperoxygeniert, nach dem Stimulationsende ist es vorübergehend hypooxygeniert. Dauer und Amplitude dieser Hypooxygenierung werden durch die Stimulationsdauer bestimmt.

Hypothese 4:

Optisch und magnetresonanztomographisch gemessene Veränderungen von zerebralem Blutvolumen und Oxygenierung zeigen am gleichen Stimulationsmodell korrespondierende Zeitverläufe, die mit einem System der postarteriolären Compliance erklärbar sind.

Diese Arbeit stellt den Aufbau und die Ergebnisse eigener Untersuchungen zur zeitlichen Kinetik der neurovaskulären Kopplung dar. Dabei wurden die genannten Hypothesen unter Verwendung komplementärer Bildgebungsverfahren geprüft.


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