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

57

Kapitel 3. Ergebnisse

Bei allen Tieren wurden die systemphysiologischen Größen im Normalbereich gehalten ( Tabelle 2 ).

Tabelle 2: Physiologische Systemparameter während des Experiments

Versuchsgruppe

 

Arterielle Blutgase

MAP

(mmHg)

pCO2

(mmHg)

pO2

(mmHg)

pH

Imaging Spectroscopy Whiskerstimulation

115

± 4

37

± 1

168

± 13

7.43

± 0.01

Imaging Spectroscopy Vorderpfotenstimulation

99

± 12

38

± 1

126

± 16

7.39

± 0.04

fMRT Vorderpfotenstimulation

105

± 11

39

± 2

130

± 18

7.38

± 0.05

Angegeben sind Mittelwert und Standardabweichung der jeweiligen Versuchsgruppe, bei der Imaging Spectroscopy mit Whiskerstimulation (n=4), Imaging Spectroscopy mit Vorderpfotenstimulation (n=6) und fMRT mit Vorderpfotenstimulation (n=8) durchgeführt wurde. MAP: mittlerer arterieller Blutdruck

Im folgenden wird die gemessene Stimulationsantwort in drei aufeinanderfolgenden Phasen dargestellt. Die Einteilung erfolgt in frühe Antwort, stimulationsbegleitende Antwort und Antwort nach Stimulationsende. Dann folgt ein qualitativer und quantitativer Vergleich von optischen und magnetresonanztomographischen Signalen, die theoretisch einander entsprechende Blutflußkorrelate repräsentieren ( Tabelle 3 ).

Tabelle 3: Korrespondierende Signale von fMRT und Imaging Spectroscopy

 

funktionelle Magnetresonanztomographie

Imaging Spectroscopy

oxygenierungsbezogenes Signal

BOLD DR2*

Deoxy-Hb

volumengewichtetes Signal

MION

% pCBV

HbT

% cCBV

Um die beiden Methoden vergleichen zu können, wurden ihre Signale in zwei Paare eingeteilt. Als oxygenierungsbezogenes Signal wurde das BOLD-Signal der fMRT dem Deoxy-Hb-Konzentrationsverlauf der Imaging Spectroscopy gegenübergestellt. Als volumengewichtetes Signal wurde das plasmatische Volumensignal der MION-fMRT (pCBV) mit dem korpuskulären Volumensignal der Imaging Spectroscopy (cCBV) in der jeweiligen relativen Veränderung verglichen. Die Konzentrationsveränderung des totalen Hämoglobin (HbT) im Voxel wurde aus der Summe der Konzentrationsveränderungen von Oxy-Hb und Deoxy-Hb ermittelt und dann, geteilt durch den angenommenen Ruhewert von 20µmol/l, in relative cCBV-Veränderungen umgerechnet.


58

Die Kapitel 3.1 und 3.2 erläutern die Ergebnisse im Hinblick auf die Frage der frühen Deoxygenierung. Die frühe Antwort der ersten beiden Sekunden nach Stimulationsbeginn wurde mit Optical Imaging räumlich hochaufgelöst detektiert und mit der Imaging Spectroscopy spektroskopisch analysiert. Bei der Berechnung der Hämoglobinkonzentration wurde das vereinfachte Modell einer konstanten optischen Pfadlänge dem Modell der differentiellen Pfadlänge gegenübergestellt. Daneben wurde die frühe Antwort magnetresonanztomographisch im Zeitverlauf des BOLD und CBV-Signals betrachtet. Die Kapitel 3.3 und 3.4 behandeln den weiteren Verlauf der Blutflußantwort in einem Methodenvergleich zwischen fMRT und Imaging Spectroscopy.

3.2 Funktionelle Bildgebung mittels Optical Imaging

Abbildung 11 A und B zeigen den Zeitverlauf der globalen Aktivierungskarte für ein Tier der Whiskerstimulations- bzw. Vorderpfotenstimulationsgruppe unter Optical Imaging bei 600nm Wellenlänge. Eine solche globale Karte stellt farbkodiert die relative Veränderung jedes Pixels gegenüber seinem Ruhewert in OD, der Einheit der Abschwächung ?A, dar.

Während der Whiskerstimulation (Stimulationszeit 0-2s) stellt sich eine zirkuläre Struktur vermehrter Abschwächung dar ( Abbildung 11 A). Diese zeigt den ersten Kontrast bereits 0.6s nach Stimulationsbeginn und erreicht bei 1.9s ihre größte Amplitude. 3.7s nach Stimulation ist sie nicht mehr von der Umgebung abgrenzbar. Das Areal besitzt eine Ausdehnung von ca. 0.5mm2, was mit anderen Optical Imaging-Resultaten für die Ausdehnung eines Whisker-Barrels übereinstimmt . Zusätzlich zu diesem Signal, dessen diffuse Ausdehnung auf einen Ursprung aus tieferen kortikalen Schichten hinweist, zeigt sich ein oberflächliches Absorptionssignal über den zwei durch den Fensterbereich ziehenden Ästen der Arteria cerebri media. Dieses hat einen ähnlichen zeitlichen Verlauf. Zur Orientierung ist links neben dieser Serie ein anatomisches Bild des kraniellen Fensters dargestellt. Dieses wurde unter Beleuchtung mit 532nm aufgenommen, einer für Deoxy-Hb und Oxy-Hb isosbestischen Wellenlänge. Arterielle und venöse Gefäße kontrastieren deutlich mit der pialen Oberfläche.


59

Abbildung 11: Zeitverlauf der globalen Aktivierungskarte

Bei einer Bildserie unter 600nm Licht wurde jedes Pixel der gemittelten Bilder unter Stimulation durch seinen Ruhewert vor der Stimulation geteilt, logarithmiert und negativiert (Abschwächung ?A in OD). Gezeigt ist je ein Zeitverlauf unter Whiskerstimulation (A, Stimulationszeit 0-2s) und unter Vorderpfotenstimulation (B, Stimulationszeit 0-4s). Zu sehen ist bei beiden Stimulationen eine Zunahme der Abschwächung, sowohl über den arteriellen Gefäßen als auch über der Mikrozirkulation. Unter der Whiskerstimulation grenzt sich ein ca. 0.7x0.7 mm großes Areal ab, das in seiner Ausdehnung einem Whisker-Barrel gleichkommt. Die Venen kontrastieren sich in beiden Bildserien negativ, möglicherweise als Zeichen ihrer Hyperoxygenierung. Zur Orientierung wird links neben der Serie ein Rohbild des jeweiligen kraniellen Fensters bei 532nm Beleuchtung (oberes Bild) bzw. 600nm Beleuchtung (unteres Bild) gezeigt.

Eine entsprechende Darstellung für ein Tier der Vorderpfotenstimulationsguppe zeigt Abbildung 11 B. Die Stimulation dauerte von 0-4s. Auch hier zeigt sich bereits nach 0.6s eine beginnende Abschwächung, die ihre höchste Amplitude bei 2.5s erreicht. Das Signal zeigt diffuse und vaskulär geformte Areale vermehrter Abschwächung. Es zeigt sich vermehrte Absorption über zwei arteriellen Hauptstämmen und ihren Ästen. Dieses oberflächlich-


60

vaskuläre Signal hält im Gegensatz zum diffusen Signal bis zum Ende der Stimulation an. Die diffuse Aktivierung hat eine breitere Ausdehnung als bei der Whiskerstimulation und stellt daher die oberflächlichen pialen Venen im Negativkontrast dar. Ein anatomisches Bild des kraniellen Fensters bei orangenem Licht (lambda=600nm) ist links nebenangestellt und zeigt die Venen deutlicher als die Arterien von der pialen Oberfläche abgegrenzt.

Die dargestellten Bildserien illustrieren, daß sich sowohl mit der Whiskerstimulation als auch mit der Vorderpfotenstimulation optisch Aktivierungskarten erzeugen lassen, die durch eine vermehrte Abschwächung von Licht unter Stimulation entstehen. Das verwendete Licht hatte hierbei eine Wellenlänge von 600nm. Die aktivierten Pixel projizieren sich deutlich abgegrenzt auf die arteriellen Gefäße und diffus verteilt auf gefäßarme Regionen. Das diffuse Signal, das vermutlich die Lichtabsorption in tieferen kortikalen Schichten darstellt, zeigt sich bei der Whiskerstimulation räumlich begrenzt auf ein Areal, das in Struktur und Größe einer neuronalen Kolumne entspricht. Bei der elektrischen Stimulation der Vorderpfote zeigt sich das Tiefensignal über die gesamte gefäßarme piale Oberfläche verteilt. Die unterschiedliche Stimulationsdauer von 2s (Whiskerstimulation) und 4s (Vorderpfotenstimulation) zeigt sich im arteriellen Absorptionssignal, das bei der Vorderpfotenstimulation länger zu sehen ist als bei der Whiskerstimulation.

Wie demonstriert wurde, detektiert die Methode des Optical Imaging im somatosensorischen Kortex der Ratte eine vermehrte Absorption von Licht der Wellenlänge 600nm, sowohl bei elektrischer Vorderpfotenstimulation als auch bei mechanischer Whiskerstimulation. Es liegt nahe, dieses 600nm-Signal mit einer Anreicherung des Farbstoffes Hämoglobin im Rahmen der neurovaskulär gekoppelten Blutflußantwort zu erklären. Ob es sich hierbei um die oxygenierte oder die deoxygenierte Form des Hämoglobins handelt, läßt sich allerdings nicht sagen. Sowohl Oxy-Hb als auch Deoxy-Hb absorbieren Licht dieser Wellenlänge. Um ihren jeweiligen Beitrag zu diesem optischen Signal zu bestimmen, wurde das aktivierte Areal spektroskopisch untersucht.

Abbildung 12 A (Whiskerstimulation) und B (Vorderpfotenstimulation) zeigen, wie der Schlitz für die Imaging Spectroscopy über das aktivierte Areal gelegt wurde, um die Abschwächung von weißem Licht spektral aufzulösen. Die obere Reihe zeigt farbig über das jeweilige kranielle Fenster gelegt das Ergebnis einer statistischen Auswertung der Daten aus Abbildung 11 . Mit einem einseitigen gepoolten t-Test wurden bei jedem Pixel die Werte von 0.6 bis 2.5s nach Stimulationsbeginn aus allen Meßdurchgängen auf eine Abschwächungszunahme gegenüber den Ruhewerten geprüft. Es zeigt sich in beiden


61

Stimulationsmodellen ein zusammenhängendes Gebiet statistisch signifikanter Pixel. Aufgrund der höheren Anzahl von Meßdurchgängen ergaben sich für die Whiskerstimulation kleinere p-Werte als für die Vorderpfotenstimulation. Die diffuse Aktivierung, die sich in Abbildung 11 über dem Mikrozirkulationsgebiet abgrenzt, ist bei beiden Tieren das statistisch am deutlichsten hervortretende Signal der frühen Antwort. Interessanterweise ist der p-Wert des oberflächlichen Arteriensignals niedriger. Die hohe Amplitude, die das vaskuläre Signal in der globalen Aktivierungskarte zeigt, ist möglicherweise durch Spontanoszillationen mitbedingt, die durch die hohe Blutkonzentration an dieser Stelle verstärkt zu Absorptionsschwankungen führen.

Der Schlitz für die Imaging Spectroscopy wurde über das aktivierte kortikale Areal gelegt ( Abbildung 12 , mittlere Bildreihe). Damit wurde die räumliche Dimension der Daten auf diesen vertikal orientierten Abschnitt eingeengt. Das Abbild des Schlitzes wurde dann am optischen Gitter gebeugt und Serien von räumlich-spektralen Bildern unter Stimulations- und Ruhebedingungen aufgenommen. Die nachfolgende Analyse grenzte die Daten entlang der vertikalen Achse auf das aktivierte Gebiet, die ROI (Region of Interest), ein und mittelte die spektrale Information dieser Pixel. Die gewählte ROI der jeweiligen Bilder ist hier rosa eingefärbt. Darunter ist der gemittelte spektrale Zeitverlauf unter Stimulation dargestellt (Beginn bei 0s, Whiskerstimulation von 2s Dauer, Vorderpfotenstimulation von 4s Dauer). Mit der Stimulation beginnt eine spektrale Veränderung über dem aktivierten Gebiet, die zweigipflig ist und bei der Vorderpfotenstimulation eine höhere Amplitude und eine später einsetzende Rückbildung zeigt. Diese Abschwächungsspektren wurden der Lambert-Beer-Analyse zugeführt, um die Veränderungen der Hämoglobinkonzentration zu berechnen.


62

Abbildung 12: Spektrale Messung über dem aktivierten Areal

Exemplarisch ist hier die Positionierung der Imaging Spectroscopy auf die funktionelle Karte des monochromatischen Optical Imaging dargestellt. Die Bildserien der frühen Antwort (Daten aus Abbildung 11 ) wurden mit einem gepoolten t-Test geprüft. Die obersten beiden Bilder zeigen die statistische Signifikanz der Pixelabschwächung. Links (Whiskerstimulation) sind die Pixel einzeln dargestellt und das Areal der höchsten Dichte aktivierter Pixel schwarz eingegrenzt. Rechts (Vorderpfotenstimulation) wurden aus nahe beieinander liegenden Pixeln eines Signifikanzniveaus zusammenhängende Areale ("Cluster") gebildet. Durch das aktivierte Areal wurde der Schlitz für die Imaging Spectroscopy gelegt. Die mittlere Reihe zeigt den Schlitzbereich im beugungsfreien Reflektionsbild des kraniellen Fensters (aufgenommen bei 600nm im Maximum 0.Ordnung des optischen Gitters) aufgehellt. Im Maximum 1.Ordnung wurden dann mittels Imaging Spectroscopy räumlich-spektrale Stimulationsbilder aufgenommen. Für die Analyse wurden diese Bilder auf das aktivierte Mikrozirkulationsareal eingegrenzt (rosafarbene Markierung). Die gemittelten Abschwächungsspektren (untere Reihe) wurden der Lambert-Beer-Analyse zugeführt, um die Hämoglobinkonzentration zu berechnen. Die eingesetzte Sekundenangabe ist der Zeitpunkt nach Stimulationsbeginn (Dauer der Whiskerstimulation: 2s, Dauer der Vorderpfotenstimulation: 4s).


63

3.3 Blutvolumen und Oxygenierung in der frühen Antwort

Um das frühe Aktivierungssignal, mit dem sich im Optical Imaging funktionelle Karten herausbildeten, auf seine zugrundeliegenden Chromophorveränderungen hin zu untersuchen, wurde mittels der Imaging Spectroscopy der spektrale Zeitverlauf unter Stimulation gemessen und mit dem Lambert-Beer-Algorithmus in Hämoglobinkonzentrationen umgerechnet. Die Abbildungen 13-16 zeigen den errechneten Konzentrationsverlauf von Oxy-Hb und Deoxy-Hb bei Whisker- und Vorderpfotenstimulation. Die Dauer der Whiskerstimulation betrug 2s. Bei der Vorderpfotenstimulation wurden jeweils die ersten 2.5s der Daten aus den Paradigmen mit 2, 4, 8, 16 und 32s Stimulationsdauer zusammengefaßt, um für die frühe Antwort das bestmögliche Signal-zu-Rausch-Verhältnis herzustellen. Die angenäherte Analyse ohne differentielle Pfadlängenkorrektur ( Abbildung 13 , 14) wird hier der quantitativen Analyse mit differentieller Pfadlängenkorrektur ( Abbildung 15 , 16) in beiden Stimulationsgruppen gegenübergestellt.

Wie bereits erwähnt, wird mit Hilfe des Lambert-Beer-Algorithmus der lineare Zusammenhang zwischen Abschwächung von Licht und Konzentration eines Farbstoffes beschrieben. Unter Anwendung dieses Algorithmus wurde der Konzentrationsverlauf von Oxy-Hb und Deoxy-Hb errechnet. Er versucht dabei, die gemessenen Spektren mit den Absorptionsspektren von Oxy-Hb und Deoxy-Hb nachzuzeichnen. Die Abbildungen zeigen daher neben dem errechneten Konzentrationsverlauf das Ergebnis dieser linearen Anpassung als Validitätskriterium.

3.3.1 Analyse der frühen Antwort ohne differentielle Pfadlängenkorrektur

Bei Annahme einer konstanten Pfadlänge für alle Photonen wird das Gewebe als optisch inert, ähnlich wie eine Küvette, modelliert. Die Abbildungen 13 und 14 zeigen, daß dieser Algorithmus in beiden Stimulationsgruppen einen initialen Konzentrationsanstieg des Deoxy-Hb errechnet. Die lineare Anpassung der Spektren ist aber unzureichend und stellt die Gültigkeit dieser Berechnung in Frage.


64

Abbildung 13: Analyse der Whiskerstimulation mit konstanter Pfadlänge (Da=1)

Links: zeitliche Veränderung der Hämoglobinkonzentration bei Whiskerstimulation (oben, 4 Tiere gemittelt, mit SEM) und der Residuen des Algorithmus (schwarzer Graph unten, mit SEM).
Rechts: Zur Überprüfung der Validität dieser Berechnung sind die gemessenen Spektren der Zeitpunkte (a)-(d) (schwarz) und die lineare Anpassung des Algorithmus (rosa) übereinander aufgetragen (interpoliert und gemittelt über alle 4 Tiere; r: Korrelationskoeffizient zwischen beiden Spektren). Unten ist der Betrag der Spektrendifferenz dargestellt. Die Größe dieser schwarzen Fläche bildet den Residuenzeitverlauf links.

Abbildung 14: Analyse der Vorderpfotenstimulation mit konstanter Pfadlänge (Da=1)

Links: zeitliche Veränderung der Hämoglobinkonzentration bei Vorderpfotenstimulation (oben, 6 Tiere gemittelt, mit SEM) und der Residuen des Algorithmus (schwarzer Graph unten, mit SEM)
Rechts: Zur Überprüfung der Validität dieser Berechnung sind die gemessenen Spektren der Zeitpunkte (a)-(d) (schwarz) und die lineare Anpassung des Algorithmus (rosa) übereinander aufgetragen (interpoliert und gemittelt über alle 6 Tiere; r: Korrelationskoeffizient zwischen beiden Spektren). Unten ist der Betrag der Spektrendifferenz dargestellt. Die Größe dieser schwarzen Fläche bildet den Residuenzeitverlauf links.


65

Abbildung 15: Analyse der Whiskerstimulation mit differentieller Pfadlänge Da(ë)

Links: zeitliche Veränderung der Hämoglobinkonzentration bei Whiskerstimulation (oben, 4 Tiere gemittelt, mit SEM) und der Residuen des Algorithmus (schwarzer Graph unten, mit SEM); anders als in Abbildung 13 steigt die Deoxy-Hb-Konzentration initial nicht an, die Residuen sind deutlich kleiner.
Rechts: Zur Überprüfung der Validität dieser Berechnung sind die gemessenen Spektren der Zeitpunkte (a)-(d) (schwarz) und die lineare Anpassung des Algorithmus (rosa) übereinander aufgetragen (interpoliert und gemittelt über alle 4 Tiere; r: Korrelationskoeffizient zwischen beiden Spektren). Im Vergleich zu Abbildung 13 liegt diese lineare Anpassung gut über dem gemessenen Spektrum. Unten ist der Betrag der Spektrendifferenz dargestellt. Die Größe dieser schwarzen Fläche bildet den Residuenzeitverlauf links.

Abbildung 16: Analyse der Vorderpfotenstimulation mit differentieller Pfadlänge Da(ë)

Links: zeitliche Veränderung der Hämoglobinkonzentration bei Vorderpfotenstimulation (oben, 6 Tiere gemittelt, mit SEM) und der Residuen des Algorithmus (schwarzer Graph unten, mit SEM); anders als in Abbildung 14 steigt die Deoxy-Hb-Konzentration initial nicht an, die Residuen sind deutlich kleiner.
Rechts: Zur Überprüfung der Validität dieser Berechnung sind die gemessenen Spektren der Zeitpunkte (a)-(d) (schwarz) und die lineare Anpassung des Algorithmus (rosa) übereinander aufgetragen (interpoliert und gemittelt über alle 6 Tiere; r: Korrelationskoeffizient zwischen beiden Spektren). Im Vergleich zu Abbildung 14 liegt diese lineare Anpassung gut über dem gemessenen Spektrum. Unten ist der Betrag der Spektrendifferenz dargestellt. Die Größe dieser schwarzen Fläche bildet den Residuenzeitverlauf links.


66

Bereits 0.8s nach Stimulationsbeginn steigen nach dieser Berechnung Oxy-Hb und Deoxy-Hb an. Der Anstieg des Oxy-Hb setzt sich in beiden Gruppen fort bis zum Ende der Stimulation und, wie in der Whiskerstimulation zu sehen, auch weiter bis 2s nach Stimulationsende. Die maximale Amplitude der Antwort auf Vorderpfotenstimulation beträgt etwa 5 willkürliche Einheiten. Bei der Whiskerstimulation ist sie um mehr als die Hälfte kleiner. Im längeren Datensatz der Whiskerstimulation bildet sich die Antwort etwa symmetrisch zur Zunahme wieder zurück. Bei 6.5s unterschreitet die Oxy-Hb-Konzentration ihren Ruhewert und bleibt bis zum Ende der Datenaufnahme reduziert.

Bei beiden Stimulationsparadigmen errechnet dieser Algorithmus einen initialen Anstieg des Deoxy-Hb. Dieser erreicht sein Maximum bei der Vorderpfotenstimulation ungefähr zur gleichen Zeit wie bei der Whiskerstimulation. Anders als beim Oxy-Hb-Verlauf ist die Amplitude des Deoxy-Hb-Anstiegs bei beiden Stimulationen gleich groß (~0.5 willkürliche Einheiten). In der Whiskerstimulation folgt dem initialen Anstieg des Deoxy-Hb eine rasche Rückbildung. Die Konzentration ist dann für etwa 2s unter der Ruhekonzentration, bevor sie abermals die Nullinie durchläuft und bis zum Ende der Datenaufnahme positiv bleibt.

Für beide Stimulationsparadigmen wurde die Validität durch einen Spektrenvergleich geprüft. Exemplarisch werden hier vier Zeitpunkte dargestellt. Bei der Whiskerstimulation sind dies der frühe Anstieg des Deoxy-Hb (a), das Oxy-Hb-Maximum (b), das Deoxy-Hb-Minimum (c) und ein Zeitpunkt aus der Antwort nach dem Stimulationsende (d). Bei der Vorderpfotenstimulation wurden die vier Zeitpunkte des errechneten Deoxy-Hb-Anstiegs (t=0.8-2.5s) untersucht.

Das gemessene Abschwächungsspektrum des jeweiligen Zeitpunktes (a)-(d) und die lineare Anpassung, die der Algorithmus erzielte, wurden bei allen Tieren auf gleiche Wellenlängenpunkte interpoliert, anschließend gemittelt und gegeneinander aufgetragen. Dieser visuelle Spektrenvergleich ist in Abbildung 13 und 14 rechts dargestellt. Es zeigt sich, daß die lineare Anpassung dem gemessenen Spektrum im Bereich 570-590nm nahekommt, in Richtung kürzerer Wellenlängen aber zunehmend von ihm abweicht. Die Korrelationskoeffizienten der beiden Spektren liegen zwischen 0.901 und 0.955 (r). Die Beträge der jeweiligen Differenz [lineare Anpassung - gemessenes Spektrum] sind unten schwarz aufgetragen. Die Summe dieser Beträge wurde als Residuum definiert. Der Zeitverlauf dieser Residuen ist als schwarzer Graph unter den errechneten Hb-Konzentrationsveränderungen dargestellt.


67

3.3.2 Analyse der frühen Antwort mit differentieller Pfadlängenkorrektur

Nach Einbeziehung der differentiellen Pfadlänge in die Lambert-Beer-Analyse decken sich lineare Anpassung und spektrale Messung. Der Algorithmus errechnet dann keinen initialen Konzentrationsanstieg des Deoxy-Hb ( Abbildung 15 und 16).

Bei der Whiskerstimulation und der Vorderpfotenstimulation verändert sich der Zeitverlauf des Oxy-Hb mit differentieller Pfadlängenkorrektur nur unwesentlich. Die maximale Amplitude beim trunkierten Datensatz der Vorderpfotenstimulation beträgt 4.5µmol/l, bei der Whiskerstimulation 2µmol/l. Sie stehen damit in einem ähnlichen Verhältnis wie die Amplituden bei der Berechnung mit konstanter Pfadlängenanalyse.

Offenbar ist der Algorithmus unter Einschluß der Pfadlängenkorrektur in der Lage, die spektralen Veränderungen der ersten Sekunden allein durch eine Oxy-Hb-Zunahme zu beschreiben. Erst danach fällt die Deoxy-Hb-Konzentration in dieser Berechnung. Es zeigt sich kein früher Anstieg, aber ein gegenüber dem Oxy-Hb-Anstieg verzögerter Abfall des Deoxy-Hb. Diese Verzögerung ist mit 1.5-2.5s etwa so lang wie die mittlere kapilläre Transitzeit im Rattengehirn . Möglicherweise reflektiert sie die beginnende kapilläre Ausspülung von Deoxy-Hb im Rahmen der Bluflußzunahme. Die maximale negative Amplitude dieses Deoxy-Hb-Abfalls beträgt 0.5µmol/l bei der Whiskerstimulation und 0.9µmol/l bei der Vorderpfotenstimulation. Sie stehen damit in einem ähnlichen Verhältnis wie die Oxy-Hb-Amplituden der beiden Stimulationsgruppen. Die Summe von Deoxy-Hb-Abnahme und Oxy-Hb-Zunahme ergibt eine Netto-Hämoglobinzunahme von 1.5µmol/l bei der Whiskerstimulation bzw. 3.6µmol/l bei der Vorderpfotenstimulation. Bei einer Hb-Konzentration in Ruhe von 20µmol/l ergibt dies eine relative cCBV-Zunahme von 7.5% bzw. 18%.

Bei den ausgewählten Zeitpunkten a-d ( Abbildung 15 und 16, rechts) zeigt sich im Vergleich zu Abbildung 13 und 14 eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und linearer Anpassung. Die Korrelationskoeffizienten sind größer und liegen zwischen 0.963 und 0.989 (r). Die jeweilige Spektrendifferenz und der Residuenzeitverlauf sind bei konstanter und differentieller Pfadlängenanalyse in gleicher Skalierung aufgetragen. Die Differenzbeträge sind bei der differentiellen Pfadlängenanalyse insgesamt kleiner und erscheinen gleichmäßig über den Wellenlängenbereich verteilt. Die Residuen sind deutlich reduziert.

Die behandelten Abbildungen zeigen mehrere Möglichkeiten, das gemessene Spektrum mit der linearen Anpassung zu vergleichen. Eine Abweichung läßt sich über die Bildung des


68

Korrelationskoeffizienten oder die Darstellung der Residuen quantifizieren, was den Algorithmenvergleich erleichtert. Ob die Lambert-Beer-Analyse ein Spektrum überhaupt richtig beschreiben kann, läßt sich am besten qualitativ über den visuellen Spektrenvergleich abschätzen.

3.3.3 Die frühe Antwort in der fMRT

Die fMRT zeigt in der frühen Antwort auf Vorderpfotenstimulation eine Zunahme im plasmatischen CBV und einen Anstieg des BOLD-Signals ohne Hinweis auf eine frühe Deoxygenierung. Die gemessene Kinetik gleicht der frühen Hb-Antwort in der Imaging Spectroscopy, wie sie die differentielle Pfadlängenanalyse errechnet.

Abbildung 17: Funktionelle Aktivierung in der fMRT

Dies ist eine Karte der statistisch analysierten Voxel, über einen anatomischen Frontalschnitt aus den Rohdaten gelegt. Die Ratte zeigt bei Stimulation der linken Vorderpfote Aktivierung in der rechten Hemisphäre, sowohl im BOLD Signal (A) als auch im volumengewichteten MION-Signal (B). Die Farbskala zeigt die p-Werte eines gepoolten t-Tests, der Stimulations-mit Ruhebedingungen vergleicht. Die Signal-Zeitverläufe wurden bei jedem Tier über 15 Voxel aus dem Zentrum der Aktivierung gemittelt.

Abbildung 17 zeigt exemplarisch funktionelle Bilder, die der räumlichen Lokalisierung des Vorderpfotenareals bei einem Tier zugrundelagen. Für jedes Voxel wurden die Werte unter Stimulationsbedingungen (hier das Paradigma mit 8, 16, 32s Stimulationsdauer) auf Abweichung von den Werten unter Ruhebedingungen mit einem einseitigen gepoolten t-Test geprüft. Die resultierenden p-Werte sind auf dieser Karte farbkodiert über ein Rohbild des gemessenen Frontalschnitts gelegt: links für ein BOLD-Experiment (A), rechts für ein MION-Experiment (B). Aus dem aktivierten Areal wurden für diese und alle folgenden Signalanalysen 15 Voxel in ihrem Zeitverlauf gemittelt und mit den entsprechenden Zeitverläufen der anderen Tiere zusammengefaßt.


69

Abbildung 18 zeigt die frühe fMRT-Antwort auf Vorderpfotenstimulation im Vergleich mit den korrespondierenden Signalen der Imaging Spectroscopy. Dabei wurden alle Paradigmen mit Stimulationsdauern von 2s oder länger über die ersten 2.5 s gemittelt. Die plasmatische CBV-Messung mit der MION-fMRT kann hier mit der korpuskulären CBV-Messung über das Hämoglobin verglichen werden. Bei beiden wird die relative Veränderung bezogen auf ihren Ruhewert angegeben. Das andere korrespondierende Wertepaar besteht aus dem BOLD-Signal DeltaR2* und der absoluten Konzentrationsveränderung des Deoxy-Hb. Um die Korrelation dieses Wertepaares zu zeigen, wird das BOLD-Signal anders als sonst üblich negativ dargestellt.

Abbildung 18: Frühe Antwort in fMRT und Imaging Spectroscopy

Dies ist ein Vergleich der Antwort auf Vorderpfotenstimulation in vier verschiedenen Meßgrößen, gemittelt über alle Pfoten (n=6 für cCBV und Deoxy-Hb, n=15 für pCBV, n=11 für BOLD) und über alle Paradigmen mit Stimulationsdauern von 2, 4, 8, 16 und 32s. Das cCBV-Signal errechnet sich aus der Summe der Konzentrationsveränderungen von Oxy-Hb und Deoxy-Hb geteilt durch die angenommene Ruhe-Hb-Konzentration (hier 20µmol/l). Die Blutvolumenmessung zeigt in fMRT und Imaging Spectroscopy einen initialen Anstieg, dem Deoxy-Hb Abfall entspricht eine Abnahme der ÄR2*.

Auch die fMRT zeigt eine früh einsetzende Blutvolumenzunahme. Das pCBV nimmt bereits in der ersten Sekunde nach Stimulation zu, die in diesem Zeitfenster der ersten 2.5s nach Stimulation ca. 7% erreicht. Demgegenüber zeigt sich im cCBV ein initialer Anstieg bis auf 18%, allerdings bei einem SEM von ± 6%. Legt man hier die gleiche zeitliche Kinetik und das gleiche Meßvolumen zugrunde, so entspricht dieser Differenz eine Hämatokritveränderung von ca. 2%.


70

Das Verhältnis von BOLD-Signal zu Deoxy-Hb ist bei konstanter Pfadlängenanalyse der Spektren nicht übereinstimmend. Die Vernachlässigung der Pfadlängenkorrektur errechnet ein biphasisches Signal, das sich nicht quantifizieren läßt und dessen spektrale Validierung fraglich ist (nicht dargestellt). Der Einschluß der Pfadlängenkorrektur ermöglicht eine lineare Anpassung und errechnet in dieser frühen Phase eine Konzentrationsabnahme des Deoxy-Hb um etwa 1µmol/l. Das im fMRT gewonnene BOLD-Signal zeigt ebenfalls ein monophasisches Signal in der frühen Antwort. Die ÄR2* nimmt innerhalb der ersten Sekunde nach Stimulation ab. Ihre initiale Antwort erscheint zeitgleich mit dem plasmatischen Blutvolumen, deutlich wird der Signalabfall aber erst nach eine kurzen Verzögerung.

Diese Gegenüberstellung illustriert, daß die korrespondierenden Signale in fMRT und Imaging Spectroscopy bereits in der frühen Antwort einer ähnlichen Kinetik folgen. Während der ersten zwei Sekunden nach Stimulationsbeginn nimmt im aktivierten Gebiet sowohl das plasmatische und korpuskuläre CBV als auch die von BOLD und Deoxy-Hb gemessene Blutoxygenierung zu.

3.4 Blutvolumen und Oxygenierung im Verlauf der Stimulation

Die Blutflußantwort auf Vorderpfotenstimulation wurde nach ihrem zeitlichen Zusammenhang zum Stimulationsbeginn und zur Stimulationsdauer untersucht. Abbildung 19 zeigt exemplarisch die Einteilung der Blutflußantwort auf eine 8s-Vorderpfotenstimulation in eine stimulationsbegleitende Hyperoxygenierung und eine dem Stimulationsende folgende Hypooxygenierung. Während das BOLD-Signal ähnlich wie cCBV und Deoxy-Hb eine solche Biphasizität aufweist, ist diese Einteilung für das pCBV-Signal der MION-fMRT artifiziell. Weil das pCBV noch lange nach dem Stimulationsende erhöht bleibt, wurde auch für dieses Signal der Verlauf nach Stimulationsende auf ähnliche Weise in die Analyse miteinbezogen.


71

Abbildung 19: Zeitliche Einteilung der Blutflußantwort

Anhand einer vaskulären Antwort auf eine 8s dauernde Vorderpfotenstimulation (je ein Tier aus der Imaging Spectroscopy- bzw. fMRT-Gruppe) werden die Phasen der Blutflußantwort dargestellt. Der Vergleich der verschiedenen Methoden folgte einer Aufteilung der Blutflußantwort in eine Antwort auf den Stimulationsbeginn (Hyperoxygenierung) und eine verzögerte Antwort auf das Stimulationsende (Hypooxygenierung). Die Signalverläufe der Imaging Spectroscopy und der BOLD-fMRT zeigen entsprechende biphasische Antwortmuster. Der monophasische Signalverlauf der volumengewichteten MION-fMRT zeigt eine langsame Normalisierung nach Stimulationsende und wurde auf gleiche Weise eingeteilt. In der später dargestellten integrierten Analyse wurde die Fläche unter bzw. über der Kurve in zwei fixen Zeitfenstern integriert, wobei eines die 34s nach Stimulationsbeginn, das andere die 30s nach Stimulationsende plus 2s umfaßte.

Eine Übersicht über alle gemittelten Zeitverläufe von pCBV, BOLD-Signal, cCBV und Deoxy-Hb unter Vorderpfotenstimulation gibt Abbildung 20 . Die Analyse der Imaging Spectroscopy unter Vernachlässigung der differentiellen Pfadlängenkorrektur zeigte keinen qualitativen Unterschied für cCBV und Deoxy-Hb außer dem bereits untersuchten frühen Anstieg des Deoxy-Hb. Sie wird im folgenden Methodenvergleich nicht mehr berücksichtigt, zumal nur die differentielle Pfadlängenanalyse eine Quantifizierung in molaren Konzentrationen erlaubt.


72

Abbildung 20: Gemittelte Zeitverläufe bei Vorderpfotenstimulation

(A): pCBV (plasmatisches zerebrales Blutvolumen), gemessen mit MION-fMRT: 7 Tiere, 12 Pfoten mit 1, 2 , 4, 8s Stimulationsdauer / 6 Tiere, 9 Pfoten mit 8, 16, 32s Stimulationsdauer
(B): cCBV (korpuskuläres zerebrales Blutvolumen), gemessen mit Imaging Spectroscopy: 6 Tiere, 6 Pfoten
(C): -?R2*, gemessen mit BOLD-fMRT: 5 Tiere, 7 Pfoten mit 1, 2, 4, 8s Stimulationsdauer / 5 Tiere, 8 Pfoten mit 8, 16, 32s Stimulationsdauer
(D): Deoxy-Hb, gemessen mit Imaging Spectroscopy: 6 Tiere, 6 Pfoten

3.4.1 Der CBV-Verlauf in fMRT und Imaging Spectroscopy

Das regionale zerebrale Blutvolumen ist sowohl in der plasmatischen Messung der MION-fMRT als auch in der korpuskulären Messung der Imaging Spectroscopy über die gesamte Stimulationsdauer erhöht. In beiden Methoden beträgt die relative Zunahme etwa 10%.

Das pCBV steigt zunächst beinahe unabhängig von der Stimulationsdauer in den ersten vier Sekunden nach Stimulationsbeginn um etwa 7% an. Bei den 1, 2, 4s-Stimulationsdauern bildet sich die Veränderung danach wieder zurück und das pCBV erreicht seinen Ausgangswert mit einer Verzögerung von 5-10s. Der Zeitverlauf bei den längeren Stimulationen von 8, 16 und 32s Dauer zeigt während der Stimulation eine prolongierte Antwort mit einer weiteren, allmählichen Zunahme, die bei der 32s-Stimulation mit etwa 13% ihren höchsten Wert erreicht. Nach Stimulationsende kehrt das pCBV zum Ausgangswert


73

zurück. Diese Rückbildung ist langsam und dauert ungefähr so lange wie die vorangegangene Stimulationsdauer ( Abbildung 20 A).

Auch die cCBV-Zunahme ist in den ersten Sekunden am steilsten. Danach kommt es unter prolongierter Stimulation anders als beim pCBV zu einer langsamen Abnahme der Amplitude. Nach der initialen Zunahme auf etwa 14% nimmt das cCBV unter anhaltender Stimulation mit etwa der Rate ab, mit der das pCBV zunimmt. Am Ende der 32s-Stimulation liegt die Veränderung noch um 9% über dem Ruhewert. Nach dem Ende der jeweiligen Stimulation fällt das cCBV abrupt und geht in eine prolongierte negative Antwort über.

3.4.2 Der Oxygenierungsverlauf in fMRT und Imaging Spectroscopy

Abbildung 20 C beinhaltet den gemittelten Zeitverlauf des BOLD-Signals -DeltaR2*. Dieses erreicht bei allen Stimulationslängen seine höchsten Werte etwa 4s nach Stimulationsbeginn. Für die 1, 2 ,4s-Stimulationen zeigt die Antwort eine parabolische Form, bei der BOLD symmetrisch zu seinem Anstieg wieder abfällt. Bei der 8s-Stimulation bildet sich ein Plateau heraus, das sich bei der 16 und 32s-Stimulation stabilisiert. Nach dem Stimulationsende fällt das BOLD-Signal ab und wird negativ. Diese Hypooxygenierung dauert etwa 18s bei den kurzen Stimulationen (1, 2 , 4s) und etwa 28s bei den langen (8, 16, 32s).

Die Konzentration des Deoxy-Hb nimmt bei allen Stimulationen in den ersten vier Sekunden um etwa -1.3µmol/l ab. Wie beim BOLD-Signal ist die Antwortkurve symmetrisch für die 1,2 und 4s-Stimulation: Deoxy-Hb ist nach 4s wieder bei der Ruhekonzentration angelangt, dann nimmt es weiter zu und bleibt erhöht. Diese positive Deoxy-Hb-Bilanz dauert etwa 40s. Die Zeitverläufe der 8, 16 und 32s-Stimulation zeigen nach dem initialen Abfall eine kontinuierliche flache Zunahme unter der Stimulation. Bei der 32s-Stimulation ist die Deoxy-Hb-Konzentration noch unter der Stimulation beim Ausgangswert angekommen. Dennoch demarkiert sich das Stimulationsende durch den steilen Übergang in die anschließende Hypooxygenierung.

3.4.3 Die Hyperoxygenierung während der Stimulation

Um die gezeigten CBV- und Oxygenierungsmessungen in fMRT und Imaging Spectroscopy miteinander zu vergleichen und die Linearität der jeweiligen Signale zu prüfen, wurde die Hyperoxygenierungsantwort zeitlich integriert und mit der Stimulationsdauer ins Verhältnis gesetzt.


74

Die gemessenen Veränderungen jedes Stimulationsparadigmas wurden in einem festgelegten 34s-Zeitfenster nach Stimulationsbeginn integriert. Dabei wurden für pCBV und cCBV die positiven, für ?R2* und für Deoxy-Hb die negativen Beträge summiert. Die 0s-Stimulation bestand aus einem entsprechenden Wert bei stimulationsfreier Ruhemessung im gleichen Zeitfenster. Die integrierte Hyperoxygenierungsantwort für pCBV, cCBV, BOLD und Deoxy-Hb zeigte sich für alle Stimulationsdauern im gepaarten t-Test gegenüber dieser Messung unter Ruhebedingungen signifikant (p<0.05).

Um die Linearität zu prüfen, wurde der gemittelte Ruhewert von allen integrierten Stimulationsantworten abgezogen. Die erhaltenen Werte wurden durch den Maximalwert dividiert. Dieser errechnete sich bei allen Messungen erwartungsgemäß aus der Antwort auf die 32s-Stimulation. Die Stärke der Korrelation läßt sich dann an der Nähe zu der durch 0 bei 0s und 1 bei 32s verlaufenden Gerade abschätzen ( Abbildung 21 ).

Abbildung 21: Integrierte Antwort während der Hyperoxygenierung

In einem festen Zeitfenster von 34s ab Stimulationsbeginn wurden bei der Blutflußantwort für jedes der Paradigmen (1, 2, 4, 8, 16, 32s Stimulationsdauer) alle positiven Werte (pCBV, cCBV) bzw. negativen Werte (ÄR2*, Deoxy-Hb) summiert. Am Beispiel der 32s-Stimulationsdauer wird diese Analyse von den Graphen links illustriert. Die Fläche des grau eingefärbten Bereichs (A) liefert den integrierten Wert der Hyperoxygenierungsantwort in pCBV, BOLD, cCBV bzw. Deoxy-Hb (von oben nach unten). Innerhalb der Stimulationsparadigmen wurden die Integrationswerte über Tiere bzw. Pfoten gemittelt (Fehlerbalken: SEM). Von der integrierten Antwort der jeweiligen Stimulationsdauer wurde der Ruhewert (gleiches Zeitfenster unter Ruhebedingungen) abgezogen (Nullpunkt bei 0s). Die erhaltenen Differenzen wurden durch den Maximalwert geteilt. Über die Stimulationsdauer aufgetragen, geben diese normalisierten Integrationswerte anhand ihrer Nähe zur gezeichneten Gerade durch 0 und 1 bzw. 0 und -1 Aufschluß über die Linearität des Signals (rechter Graph).


75

Der Graph legt für die analysierten Signalen von fMRT und Imaging Spectroscopy einen linearen Zusammenhang mit der jeweiligen Stimulationsdauer nahe. Das BOLD-Signal ÄR2* zeigt die stärkste Korrelation mit der Stimulationslänge (Korrelationskoeffizient r=-1.00), aber die Korrelation ist auch deutlich bei pCBV (r=0.97), cCBV (r=0.98) und Deoxy-Hb (r=-0.93). Damit enthält die Kinetik dieser unter somatosensorischer Stimulation gemessenen CBV- und Oxygenierungssignale Information über die Stimulationsdauer.

3.4.4 Die Hypooxygenierung nach dem Stimulationsende

Nach dem Stimulationsende findet bei allen korpuskulären Meßgrößen der Blutflußantwort eine der vorangehenden Stimulationsantwort entgegengerichtete Veränderung statt. Gegenüber den Ruhewerten sind dann ÄR2* und Deoxy-Hb erhöht und cCBV reduziert. Beim pCBV-Signal der MION-fMRT zeigt sich diese entgegengesetzte Antwort nach dem Stimulationsende nicht, es bleibt monophasisch. Allerdings kehrt das pCBV sehr verzögert zum Ruhewert zurück. Diese allmähliche Rückbildung wird in dieser Analyse als pCBV-Antwort auf das Stimulationsende betrachtet und der Hypooxygenierungsantwort in den anderen Signalen zugeordnet.

Abbildung 22 zeigt die integrierte Antwort eines festen Zeitfensters, das 30s umfaßt und 2s nach dem Ende der jeweiligen Stimulation von 1, 2, 4, 8, 16, und 32s Dauer beginnt. Hierbei wurden für ÄR2*, pCBV und Deoxy-Hb die positiven Werte, für cCBV die negativen Werte summiert. Die 0s-Stimulation bestand aus einem entsprechenden Wert im gleichen Zeitfenster bei stimulationsfreier Ruhemessung. Die integrierte Hypooxygenierung für pCBV, cCBV, und Deoxy-Hb zeigte sich für alle Stimulationsdauern im gepaarten t-Test gegenüber dieser Messung unter Ruhebedingungen signifikant (p<0.05). Das entsprechende ?R2*-Signal erreichte nur in den 8, 16 und 32s-Stimulationsparadigmen statistische Signifikanz.

Um die Linearität zu prüfen, wurde der gemittelte Ruhewert von allen integrierten Stimulationsantworten abgezogen. Die erhaltenen Werte wurden durch den Maximalwert dividiert. Dieser errechnete sich bei allen Messungen erwartungsgemäß aus der Antwort auf die 32s-Stimulation. Die Stärke der Korrelation läßt sich dann an der Nähe zu der durch 0 bei 0s und 1 bei 32s verlaufenden Gerade abschätzen ( Abbildung 22 ).


76

Abbildung 22: Integrierte Antwort nach Stimulationsende

In einem festen Zeitfenster von 30s, das 2s nach Stimulationsende beginnt, wurden bei der Blutflußantwort für jedes der Paradigmen (1, 2, 4, 8, 16, 32s Stimulationsdauer) alle positiven Werte (ÄR2*, Deoxy-Hb, pCBV) bzw. negativen Werte (cCBV) summiert. Am Beispiel der 32s-Stimulationsdauer wird diese Analyse von den Graphen links illustriert. Die Fläche des grau eingefärbten Bereichs (A) liefert den integrierten Wert der Antwort auf das Stimulationsende in pCBV, BOLD, cCBV bzw. Deoxy-Hb (von oben nach unten). Innerhalb der Stimulationsparadigmen wurden die Integrationswerte über Tiere bzw. Pfoten gemittelt (Fehlerbalken: SEM). Von der integrierten Antwort der jeweiligen Stimulationsdauer wurde der Ruhewert (gleiches Zeitfenster unter Ruhebedingungen) abgezogen (Nullpunkt bei 0s). Die erhaltenen Differenzen wurden durch den Maximalwert geteilt. Über die Stimulationsdauer aufgetragen, geben diese normalisierten Integrationswerte anhand ihrer Nähe zur gezeichneten Gerade durch 0 und 1 bzw. 0 und -1 Aufschluß über die Linearität des Signals (rechter Graph).

Die Korrelation zur vorangehenden Stimulationsdauer ist bei der Blutflußantwort auf das Stimulationsende schwächer als bei der Hyperoxygenierung. Die stärkste Korrelation zeigt pCBV (Korrelationskoeffizient r=0.92), gefolgt von Deoxy-Hb (r=0.92) und BOLD (r=-0.90). Das cCBV zeigt aber nur eine schwache Korrelation (r=0.68).

Die Hypooxygenierung nach Stimulationsende wird demnach ebenfalls von der Dauer der vorangegangenen Stimulation geprägt. Die allmähliche Rückbildung des pCBV geschieht mit einer ähnlichen Kinetik und zeigt integriert einen linearen Zusammenhang mit der Stimulationsdauer. Möglicherweise hängt sie mit der Hypooxygenierung im Deoxy-Hb- und BOLD-Signal zusammen.


77

3.5 Vergleich von BOLD-Signal, Deoxy-Hb und CBV

Für eine direkte Gegenüberstellung der Blutflußsignale in fMRT und Imaging Spectroscopy sollten die Daten idealerweise in einem Simultanexperiment gewonnen werden, das am selben Tier die gleiche Stimulationsantwort mit verschiedenen Methoden mißt. Dies war im Rahmen dieser Studie nicht möglich. Bei gleichen experimentellen Bedingungen lassen sich aber entsprechende Signale zeitlich integriert miteinander ins Verhältnis setzen. Auf diese Weise wurde die Korrelation der Blutvolumen- und Oxygenierungsveränderungen über die gleichen Stimulationsparadigmen geprüft. Zudem wurde das spiegelbildliche Verhalten des magnetresonanztomographisch gemessenen pCBV und des spektroskopisch gemessenen cCBV in der prolongierten Stimulationsantwort und der Antwort auf das Stimulationsende untersucht. Eine zeitlich interpolierte Zusammenfassung der Daten ermittelte eine Annäherung der zeitlichen Veränderung von Hämatokrit und intravaskulärem Volumen.

3.5.1 Korrelation des BOLD-Signals mit Deoxy-Hb und CBV

Bei diesem quantitativen Vergleich der Blutvolumen- und Oxygenierungssignale diente die zeitlich integrierte Hyperoxygenierung unter Stimulation als Referenzwert. Weil die verschiedenen Methoden nicht kongruent in ihrer Signal-zu-Rausch-Charakteristik sind und um kinetische Aspekte zu minimieren, die bei den kurzen Stimulationen eine größere Rolle spielen, wurden mit der 4, 8, 16 und 32s-Stimulation nur die langen Stimulationen in die Korrelationsanalyse mit einbezogen. Dabei wurden die entsprechenden Werte von Deoxy-Hb, pCBV und cCBV über das Zeitfenster von 34s ab Stimulationsbeginn gemittelt und gegen die BOLD-Größe DeltaR2* aufgetragen ( Abbildung 23 ).

DeltaR2* korreliert erwartungsgemäß deutlich mit pCBV, cCBV und Deoxy-Hb. Im Vergleich zeigt die Konzentrationsveränderung des Deoxy-Hb mit r=0.998 die stärkste Korrelation mit dem BOLD-Signal. Im Verhältnis entspricht einer Deoxy-Hb-Reduktion um 1µmol/l ein DeltaR2*-Abfall von 2.3/s. Prozentual ausgedrückt verringert eine einprozentige Abnahme der Deoxy-Hb-Konzentration die DeltaR2* um 0.186/s. NIRS-Messungen am Meerschweinchen unter globaler Hypoxie quantifizierten diesen Zusammenhang auf 0.25/s DeltaR2*-Reduktion pro Deoxy-Hb-Abnahme um 1% . Der verwendete Magnetresonanztomograph hatte aber eine Feldstärke von 7T, während die Messungen der vorliegenden Studie bei 2T Feldstärke vorgenommen wurden.


78

Abbildung 23: Korrelation von DeltaR2* mit Deoxy-Hb und CBV

Die integrierte ?R2*-Antwort der 4, 8, 16 und 32s-Stimulation (Hyperoxygenierungsantwort aus Abbildung 21 , aber unskaliert) ist hier gegen die entsprechenden integrierten Antworten von Deoxy-Hb, pCBV und cCBV quantitativ aufgetragen Die Fehlerbalken enthalten den SEM der jeweiligen Daten über die Anzahl der Tiere bzw. Pfoten. Die Deoxy-Hb-Konzentration zeigt die stärkste Korrelation mit ?R2*. (r: Korrelationskoeffizient)

3.5.2 Vergleich von plasmatischem und korpuskulärem CBV

Eine Kongruenz der Meßvolumina von fMRT und Imaging Spectroscopy ist nicht garantiert und stellt diesen Methodenvergleich auf einen unsicheren Grund. Die beiden Methoden messen aber mit Amplituden im Bereich von 10% ähnliche Blutvolumenveränderungen unter Stimulation. Unter der Annahme, daß die Meßvolumina vergleichbar sind, erfolgt hier eine Gegenüberstellung der Zeitverläufe von plasmatischem Blutvolumen (pCBV) und korpuskulärem Blutvolumen (cCBV) sowie eine Abschätzung des Hämatokrits und des vaskulären Füllungszustandes auf Grundlage einer zeitlichen Interpolierung der Datensätze.

Die Zeitverläufe von pCBV und cCBV weisen tendenzielle Unterschiede auf, die bei prolongierter Stimulation (ab 8s Länge) deutlich werden ( Abbildung 25 , links): während pCBV unter Stimulation eine allmähliche Zunahme der Amplitude zeigt, weist cCBV eine allmähliche Abnahme auf. Die Antwort auf das Stimulationsende besteht beim pCBV aus einer langsamen Rückbildung. Das cCBV fällt abrupt ab und geht in eine prolongierte negative Antwort, die sich etwa zur gleichen Zeit wie das pCBV normalisiert.

In autoradiographischen Messungen haben sich unterschiedliche kapilläre Transitzeiten für Plasma und Zellen herausgestellt . Es ist daher möglich, daß dem Unterschied zwischen pCBV und cCBV eine temporäre Hämatokritveränderung


79

zugrundeliegt. Die mittlere Spalte von Abbildung 25 zeigt den angenäherten Zeitverlauf einer solchen Hämatokritveränderung, basierend auf einem kapillären Ruhe-Hämatokrit von 31% und der Berechnung:

Gleichung 12

wobei hkt0 den Ausgangswert des Hämatokrits und pCBV(t) und cCBV(t) die relative Veränderung bezogen auf den Ruhewert (pCBV(0)=cCBV(0)=1) beinhalten. Die Meßpunkte wurden auf gleiche Zeitpunkte interpoliert.

Es zeigt sich nach dieser Berechnung, daß die Diskrepanzen zwischen korpuskulärem und plasmatischem Blutvolumen bei prolongierter Stimulation mit Hämatokritveränderungen im Bereich von ±2% unter Stimulation erklärt werden können. Der Hämatokrit nimmt bei Stimulationsbeginn schnell zu und fällt unter prolongierter Stimulation langsam ab. Nach dem Stimulationsende folgt ein schneller Abfall des Hämatokrits mit nachfolgender langsamer Normalisierung.

Die Berechnung der relativen Veränderung im Füllungszustand der Gefäße, dem intravaskulären Volumen (tCBV(t)) erfolgte nach

Gleichung 13

wobei wiederum hkt0 den Ausgangswert des Hämatokrits und pCBV(t) und cCBV(t) die relative Veränderung bezogen auf den Ruhewert (pCBV(0)=cCBV(0)=1) beinhalten. Es ergeben sich die Zeitverläufe in Abbildung 25 rechts Diese zeigen eine ähnliche Kinetik wie das pCBV: unter prolongierter Stimulation nimmt das tCBV allmählich zu. Nach Beendigung der Stimulation bildet es sich es langsam zum Ruhewert zurück.

Dieser Effekt kann mit einer verzögerten Compliance des venösen Systems erklärt werden, die bei prolongierter Volumenbelastung auftritt. Mit einem muskulären Mechanismus, der auch Streßrelaxation genannt wird, passen sich nach diesem Modell die glatten Muskelzellen an einen neuen Füllungszustand an, indem sie ihren Tonus herabsetzen. Dies verändert die


80

viskoelastischen Eigenschaften der venösen Gefäße und führt zu vermehrter Volumenspeicherung.

Abbildung 24: Zeitlicher Verlauf des korpuskulären und des plasmatischen Blutvolumens

Die fMRT-MION-Methode mißt das plasmatische Blutvolumen (pCBV), mit der HbT-Bestimmung in der Imaging Spectroscopy wird das korpuskuläre Blutvolumen erfaßt (cCBV). Beide zeigen ähnliche Amplituden, aber zeitlich spiegelbildliche langsame Veränderungen unter prolongierter Stimulation. Die Daten wurden zeitlich interpoliert und ihr gemittelter Zeitverlauf in jedem der Vorderpfoten-Stimulationsparadigmen (von oben nach unten 1, 2, 4, 8, 16, 32s-Stimulation, graue Fläche) übereinander aufgetragen (links). Unter Annahme eines kapillären Hämatokrits von 31% in Ruhe ergibt eine Zusammenfassung der Zeitverläufe stimulationsbedingte Hämatokritverschiebungen zwischen +2% und -2% (Mitte) sowie ein resultierendes intravaskuläres Volumen (tCBV), das stimulationsbedingt um 10% zunimmt. Die langsame Zunahme unter Stimulation und die verzögerte Rückbildung zu Normalwerten weist auf das beschriebene Phänomen der verzögerten Compliance hin.


© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiML DTD Version 2.0
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Fri Feb 7 15:12:27 2003