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

Aus Klinik für Neurologie
der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin


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

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von Georg Royl ,
aus Hinsdale/Illinois

Dekan: Prof. Dr. J. W. Dudenhausen

Gutachter:
Prof. Dr. U. Dirnagl
PD Dr. A. Kleinschmidt
PD Dr. M. Hoehn

Datum der Promotion: 9.Dezember 2002

Zusammenfassung

Die Grundlage der modernen funktionellen Bildgebung des Gehirns mit der BOLD-fMRT ist die neurovaskuläre Kopplung. Sie ist in ihren Mechanismen wenig verstanden und führt zu einem komplexen Zusammenspiel von Blutfluß, Blutvolumen und Oxygenierung. Die Aufklärung der Blutflußantwort mit ihren Auswirkungen auf die Meßsignale ist für eine genaue Interpretation des BOLD-Signals kritisch. Zudem stellt sich seit einigen Jahren die Frage, ob es bei funktioneller Aktivierung aufgrund eines vermehrten neuronalen Sauerstoffverbrauchs zu einer frühen Deoxygenierung kommt. Diese könnte sich als initialer BOLD-Abfall für eine hochauflösende Bildgebung eignen. Ein Vergleich von optischen Methoden und funktioneller Magnetresonanztomographie am gleichen Stimulationsmodell kann diesen Fragen nachgehen.

Wir haben die kortikale Blutflußantwort auf somatosensorische Stimulation der Ratte mit den optischen Methoden Optical Imaging und Imaging Spectroscopy sowie mit BOLD-fMRT und blutvolumengewichteter MION-fMRT gemessen.

Bei der Stimulation eines einzelnen Whisker-Haares grenzte sich die entsprechende kortikale Kolumne über eine optische Abschwächung ab. Spektroskopisch zeigte sich, daß diesem Signal eine initiale Blutvolumenzunahme zugrundeliegt. Eine Lambert-Beer-Analyse, die die differentiellen Pfadlängen des Lichtes im streuenden Gewebe vernachlässigt, konnte die gemessenen Spektren nicht linear anpassen. Mit einer Annäherung errechnete sie einen artifiziellen Anstieg des Deoxy-Hb in der frühen Antwort. Die quantifizierte Lambert-Beer-Analyse unter Einschluß der differentiellen Pfadlängen konnte die gemessenen Spektren linear anpassen. Im berechneten Konzentrationsverlauf stieg Oxy-Hb zum Stimulationsbeginn an, Deoxy-Hb blieb zunächst auf dem Ruhewert und fiel dann ab. Diese Verzögerung lag im Bereich der kapillären Transitzeit.

Die spektroskopisch gemessene frühe Antwort fand sich auch in der Messung der Antwort auf Vorderpfotenstimulation. Zum Vergleich wurden fMRT-Messungen an diesem Stimulationsmodell herangezogen. Die MION-fMRT erfaßte einen initialen Anstieg des plasmatischen Blutvolumens (pCBV), das BOLD-Signal delta-R2* eine verzögerte Hyperoxygenierung.

Die Hyperoxygenierung im weiteren Verlauf der Blutflußantwort zeigte in Imaging Spectroscopy und fMRT einen linearen Zusammenhang mit der Dauer der Stimulation. Dabei korrelierte die delta-R2* stark mit der spektroskopisch gemessenen Deoxy-Hb-Konzentration. Auch die Antwort auf das Stimulationsende stellte sich als von der Stimulationsdauer abhängig heraus und wurde als vaskuläres Speicherphänomen interpretiert. BOLD und Deoxy-Hb zeigten beide eine Hypooxygenierung nach dem Stimulationsende. pCBV und das spektroskopisch gemessene korpuskuläre Blutvolumen, cCBV, verhielten sich nach dem Stimulationsende spiegelbildlich. Die pCBV-Zunahme bildete sich nur allmählich zurück, während das cCBV steil unter seinen Ruhewert abfiel. Im Laufe der Messung nahm das cCBV wieder zu und erreichte seinen Ruhewert zeitgleich mit dem pCBV. Eine vermehrte Volumenspeicherung als Folge venöser Streßrelaxation und eine Verschiebung des Hämatokrits aufgrund des Fahraeus-Lindquist-Effekts werden als Grund für diese Veränderungen in Betracht gezogen.

Die experimentellen Daten belegen, daß optische und magnetresonanztomographische Methoden korrespondierende Signale von Oxygenierung und Blutvolumen messen. Eine frühe Deoxygenierung wurde nicht gemessen. Allerdings zeigte sich die frühe Komponente der Blutvolumenzunahme an die initiale Kapillarnetzfüllung einer kortikalen Kolumne gebunden. Ihre Detektion mit der fMRT bietet eine Perspektive auf dem Weg zu einer hochauflösenden funktionellen Bildgebung des Gehirns.

Abstract

Neurovascular coupling forms the basis of modern functional brain imaging with BOLD-fMRI. Its mechanisms are poorly understood as it leads to a complex interaction of blood flow, blood volume and oxygenation. The investigation of the blood flow response with its influences on measured signals is critical for the exact interpretation of the BOLD-Signal. In addition to that, the question on whether or not an increase in oxygen consumption during functional activation leads to an early deoxygenation is not resolved yet. This early deoxygenation could cause an initial BOLD decrease suitable for high resolution imaging. A comparison of optical methods and functional magnetic resonance imaging on the same stimulation model can help to answer these questions.

We have measured the cortical blood flow response on somatosensory stimulation of the rat with the optical methods Optical Imaging and Imaging Spectroscopy and with BOLD-fMRI and blood volume weighted MION-fMRI.

During stimulation of a single whisker vibrissa the corresponding cortical column delineated itself as an area of increased optical attenuation. A spectroscopical analysis showed an initial blood volume increase responsible for this signal. A Lambert-Beer-Analysis that ignored the differential pathlength of light in scattering tissue could not fit the measured spectra. The result of its closest approximation showed an artificial increase of deoxy-Hb during the early response. The quantified Lambert-Beer-Analysis with inclusion of differential pathlengths succeeded in fitting the measured spectra. The calculated concentration time course showed an increase of oxy-Hb at stimulus onset with deoxy-Hb staying at baseline values and then decreasing. This delay was as long as the capillary mean transit time.

The spectroscopically measured early response was also found when measuring the response to forepaw stimulation. For comparison, fMRI measurements on this stimulation model were done. MION-fMRI detected an early increase of plasmatic blood volume (pCBV), the BOLD-Signal delta-R2* a delayed hyperoxygenation.

The time course of the hyperoxygenation during the blood flow response showed a linear relationship with the stimulus duration in Imaging Spectroscopy and fMRI. The delta-R2* correlated strongly with spectroscopically measured concentration changes of deoxy-Hb. In addition to that, the response on the stimulus offset was dependent on the stimulus duration. It was interpreted as a vascular storage phenomenon. Both BOLD and deoxy-Hb showed a hypooxygenation after stimulus offset. pCBV and the spectroscopically measured corpuscular blood volume, cCBV, showed mirroring signals after stimulus offset. While pCBV returned to baseline values gradually, cCBV fell below baseline values immediately. During the further measurement cCBV increased and returned to baseline values at the same time as pCBV. To explain this, an increased volume storage due to venous stress relaxation and a hematocrit shift due to the Fahraeus-Lindquist effect are taken into consideration.

The experimental data proves that optical and fMRI methods measure corresponding signals of oxygenation and blood volume. An early deoxygenation was not seen. However, the early component of the blood volume increase seems to be restricted to the initial filling of the capillary net supplying a cortical column. Its detection with fMRI offers a perspective on the way to high resolution functional imaging of the brain.

Schlagwörter:
Optical Imaging, FMRT, Cerebral Blood Flow, Somatosensorische Stimulation

Keywords:
Optical Imaging, fMRT, Cerebral Blood Flow

Somatosensory Stimulation


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Inhaltsverzeichnis

TitelseiteNeurovaskuläre Kopplung im somatosensorischen Kortex der Ratte: Untersuchungen zur zeitlichen Kinetik mittels optischer Verfahren und funktioneller Magnetresonanztomographie
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungen und Begriffe
1 Einleitung
1.1Ziel der funktionellen Bildgebung
1.1.1Räumliche Lokalisierung neuronaler Aktivität
1.1.2Zeitliche Charakterisierung neuronaler Aktivität
1.2Grundlagen der funktionellen Bildgebung
1.2.1Die neuroelektrische Kopplung
1.2.2Die neurovaskuläre Kopplung
1.2.3Die neurometabolische Kopplung
1.2.4Die frühe Deoxygenierung - ein Aktivierungssignal?
1.3Methoden der funktionellen Bildgebung
1.3.1Nuklearmedizinische Methoden
1.3.2Funktionelle Magnetresonanztomographie
1.3.2.1Die fMRT mit plasmatischem exogenem Kontrastmittel
1.3.2.2Die fMRT mit dem BOLD-Kontrast
1.3.2.3Die perfusionsgewichtete fMRT
1.3.2.4Die Auflösung der BOLD-fMRT
1.3.3Optische Methoden
1.3.3.1Optical Imaging of Intrinsic Signals
1.3.3.2Imaging Spectroscopy
1.4Offene Fragen in der funktionellen Bildgebung
1.4.1Gibt es eine frühe Deoxygenierung?
1.4.2Wie sieht die normale Blutflußantwort aus?
1.5Hypothesen
2 Modelle und Methoden
2.1Das somatosensorische System der Ratte
2.1.1Die Whiskerstimulation
2.1.2Die Vorderpfotenstimulation
2.2Die Präparation
2.2.1Die Präparation für Optical Imaging und Imaging Spectroscopy
2.2.2Die Präparation für die fMRT
2.3Der experimentelle Aufbau
2.3.1Stimulationsparadigmen
2.3.2Der experimentelle Aufbau: Optical Imaging und Imaging Spectroscopy
2.3.3Der experimentelle Aufbau bei der fMRT
2.4Die Datenanalyse
2.4.1Die Datenanalyse des Optical Imaging
2.4.2Die Datenanalyse der Imaging Spectroscopy
2.4.2.1Das räumlich-spektrale Bild
2.4.2.2Die Anwendung des Lambert-Beer-Gesetzes
2.4.2.3Digitale Auswertung der Daten
2.4.2.4Ausführliche Beschreibung des Analyseprogramms
2.4.2.4.1A: Hauptkonsole
2.4.2.4.2B: Zeitverlauf
2.4.2.4.3C: Spektrenvergleich
2.4.3Die Datenanalyse der fMRT
2.4.3.1Bildaufbau aus den fMRT-Rohdaten
2.4.3.2Signalkonvertierung in BOLD und CBV
2.4.3.3Auswahl der aktivierten Voxel
3 Ergebnisse
3.2Funktionelle Bildgebung mittels Optical Imaging
3.3Blutvolumen und Oxygenierung in der frühen Antwort
3.3.1Analyse der frühen Antwort ohne differentielle Pfadlängenkorrektur
3.3.2Analyse der frühen Antwort mit differentieller Pfadlängenkorrektur
3.3.3Die frühe Antwort in der fMRT
3.4Blutvolumen und Oxygenierung im Verlauf der Stimulation
3.4.1Der CBV-Verlauf in fMRT und Imaging Spectroscopy
3.4.2Der Oxygenierungsverlauf in fMRT und Imaging Spectroscopy
3.4.3Die Hyperoxygenierung während der Stimulation
3.4.4Die Hypooxygenierung nach dem Stimulationsende
3.5Vergleich von BOLD-Signal, Deoxy-Hb und CBV
3.5.1Korrelation des BOLD-Signals mit Deoxy-Hb und CBV
3.5.2Vergleich von plasmatischem und korpuskulärem CBV
4 Diskussion und Schlußfolgerungen
4.1Die frühe Deoxygenierung - ein Artefakt?
4.2Das frühe Blutvolumensignal
4.3Die Blutflußantwort während der Stimulation
4.4Die Antwort auf das Stimulationsende
4.5Schlußfolgerungen
5 Zusammenfassung
Bibliographie Literaturverzeichnis
Anhang A Anhang
Selbständigkeitserklärung
Danksagung
Lebenslauf

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Arbeiten zu einer frühen Deoxygenierung ("Dip") in der Übersicht
Tabelle 2: Physiologische Systemparameter während des Experiments
Tabelle 3: Korrespondierende Signale von fMRT und Imaging Spectroscopy

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Paramagnetisches Kontrastmittel in der zerebralen Mikrozirkulation
Abbildung 2: Windkesselmodell der regionalen Blutvolumenzunahme
Abbildung 3: Neuronale Somatotopie im Kortex der Ratte
Abbildung 4: Vaskuläre Somatotopie im Kortex der Ratte
Abbildung 5: Optischer Aufbau
Abbildung 6: Kalibrierung des räumlich-spektralen Bildes mit gefilterten Wellenlängen
Abbildung 7: Räumlich-spektrales Bild
Abbildung 8: Extinktionsspektren von Oxy-Hb und Deoxy-Hb
Abbildung 9: Differentielle Pfadlänge Da(lambda)
Abbildung 10: Konsolen des Analyseprogramms FITIMAGING
Abbildung 11: Zeitverlauf der globalen Aktivierungskarte
Abbildung 12: Spektrale Messung über dem aktivierten Areal
Abbildung 13: Analyse der Whiskerstimulation mit konstanter Pfadlänge (Da=1)
Abbildung 14: Analyse der Vorderpfotenstimulation mit konstanter Pfadlänge (Da=1)
Abbildung 15: Analyse der Whiskerstimulation mit differentieller Pfadlänge Da(ë)
Abbildung 16: Analyse der Vorderpfotenstimulation mit differentieller Pfadlänge Da(ë)
Abbildung 17: Funktionelle Aktivierung in der fMRT
Abbildung 18: Frühe Antwort in fMRT und Imaging Spectroscopy
Abbildung 19: Zeitliche Einteilung der Blutflußantwort
Abbildung 20: Gemittelte Zeitverläufe bei Vorderpfotenstimulation
Abbildung 21: Integrierte Antwort während der Hyperoxygenierung
Abbildung 22: Integrierte Antwort nach Stimulationsende
Abbildung 23: Korrelation von DeltaR2* mit Deoxy-Hb und CBV
Abbildung 24: Zeitlicher Verlauf des korpuskulären und des plasmatischen Blutvolumens
Abbildung 25: Schema der Veränderungen im Voxel: frühe Antwort
Abbildung 26: Schema der Veränderungen im Voxel: Verlauf der Blutflußantwort

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