Obrig, Hellmuth : Nahinfrarotspektroskopie des Gehirns

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Nahinfrarotspektroskopie des Gehirns
Einleitung

Änderungen des cerebralen Blutfluß begleiten Änderungen neuronaler Aktivität des Gehirns . Dieser Tatsache verdankt die Hirnforschung der letzten Jahrzehnte die Möglichkeit, funktionelle Aktivierung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung darzustellen, um nicht-invasiv im Individuum die cerebrale Verarbeitung auch komplexer Paradigmen zu beschreiben. Abbildung 1 zeigt ein eindrucksvolles Beispiel. Mit der funktionellen Kernspintomographie (fMRT) sind bei einer Versuchsperson die ‚ocular dominance columns’ aufgrund der lokalen Änderungen des BOLD-Kontrastes in der primären Sehrinde dargestellt (Abbildung 1a aus ). Dies war beim Menschen bisher nur der postmortalen Analyse durch Färbungen zugänglich (Abb.1b aus ). Damit ist die aus dem Makaken auch in der Einzelzellableitung bekannte, columnare Organisation des visuellen Cortex der individuellen Analyse zugänglich.

Abb. 1: Die linke Abbildung zeigt die Darstellung der ocular dominance columns (ODC) im Menschen, dargestellt mit der funktionellen Kernspintomographie. Die Zuordnung der Dominanz-Kolumnen erfolgt durch den differentiellen BOLD-Kontrast Anstieg bei Stimulation des rechten (blaue pixel) und linken (gelbe pixel) Auges (aus ). Damit wird die Analyse der funktionellen Anatomie in vivo möglich, die zuvor nur der post-mortem Analyse zugänglich war, wie es in den rechten beiden Abbildungen dargestellt ist (amblyoper Patient, Cytochrom-oxidase Färbung aus ).


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Neben der Bestätigung der geforderten Analogie zwischen den nicht-invasiv im Menschen und den tierexperimentell erhobenen, funktionell anatomischen Daten erscheinen zwei Perspektiven von hervorragender Relevanz. Zum einen lassen sich kognitive Paradigmen untersuchen, die nicht oder nur schwer im Tierexperiment untersucht werden können. Zum anderen ist durch die nicht invasive Untersuchung im Individuum die Option gegeben, Varianz, Plastizität und auch pathologische Aberranz zu beschreiben.

Die beiden skizzierten Perspektiven führen allerdings auch zu der Notwendigkeit, die physiologischen Mechanismen und die Methodik kritisch zu prüfen, die den Bildern der Hirnfunktion zugrunde liegen. So vereinfacht sich die Hypothesenbildung einer funktionellen Bildgebungsstudie, wenn sie sich auf tierexperimentelle Daten stützt, die die neuronale Aktivierung anhand von Einzelzellableitungen oder die vaskuläre Antwort autoradiographisch hochauflösend dokumentiert. Um bei einem komplexen kognitiven Paradigma jedoch eine ähnliche funktionell-anatomische Aussage zu treffen, muß sichergestellt sein, daß die gemessene vaskuläre Antwort auch bei diesem Paradigma ein reliables Abbild der neuronalen Aktivität darstellt. Bezogen auf Verlaufsuntersuchungen etwa im Rahmen der Plastizitätsforschung oder gar der Untersuchung des pathologisch alterierten Gehirns multipliziert sich dieses Caveat. Wird nach einer Rehabilitationsphase bei einem Schlaganfallpatienten ein Paradigma erneut untersucht, kann nicht davon ausgegangen werden, daß der Vergleich der erhobenen Bilder einzig die Änderung der neuronalen Antwort, also neuronale Plastizität, widerspiegelt. Die Grundlage der Bildgebung, die neurovaskuläre Kopplung, ist im Akutstadium und im chronischen Stadium verschieden und im Vergleich zur physiologischen Norm verändert.

Die vorliegende Arbeit hat drei thematische Schwerpunkte. Neben der Validierung und Nutzung der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) in der Anwendung auf das Gehirn des Erwachsenen werden physiologische Grundlagen der cerebralen Bildgebung untersucht und die Perspektiven einer Anwendung auf pathophysiologische Fragestellungen skizziert. Die Gliederung in drei Teile folgt diesen Schwerpunkten. Teil A der Arbeit beschäftigt sich mit methodisch orientierten Fragestellungen als Grundlage der Nutzung der NIRS für funktionelle Aktivierungsstudien des Gehirns. Hier behandeln einige der vorgestellten Studien grundlegende biophysikalische Fragen bezüglich der Interaktion von Licht und Gewebe. Genauer sind dies Fragen nach der räumlichen Auflösung, theoretische Ansätze zur Trennung von Änderungen der optischen Eigenschaften in verschiedenen Gewebeschichten, Fragestellungen zur spektroskopischen Differenzierung unterschiedlicher Chromophore, aber auch die Weiterentwicklung der Methodik zum Zweck der optischen Bildgebung. Auch im Hinblick auf die Frage nach den physiologischen Grundlagen funktioneller Bildgebungstechniken, ist die Validierung zusätzlicher Meßparameter in diesem Teil der Arbeit ein Fokus. Neben der vaskulären Antwort erlaubt die Methode die gleichzeitige Darstellung eines zellulär-metabolischen Parameters und - bisher kontrovers - auch die Darstellung schneller optischer Signale, die im Tierexperiment die neuronale Antwort widerspiegeln. Für die Cytochrom-C-Oxidase, dem


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terminalen Enzym der mitochondrialen Atmungskette, ließ sich bei spektroskopisch ausreichender Auflösung eine Änderung des Redox-Zustandes bei funktioneller Aktivierung nachweisen. Die in der Literatur auch nicht-invasiv beim Menschen beschriebene Darstellbarkeit schneller optischer Signale, die parallel zu den aus der Elektrophysiologie bekannten evozierten Potentialen auftreten, konnten wir nicht uneingeschränkt reproduzieren. Dennoch halten wir die Befunde zur potentiellen Nachweisbarkeit schneller optischer Signale für so relevant, daß die Ergebnisse der hierzu durchgeführten Studien auch in der vorliegenden Arbeit dargestellt sind. Teil B faßt die Studien zusammen, die sich auf die physiologische Begründung der Methodik richten. Ausgehend von der Beschreibung der typischen Antwort der gemessenen Parameter über einem funktionell aktivierten Hirnareal werden die Ergebnisse in das physiologische Modell der neuro-vaskulären Kopplung eingeordnet. Hier stehen simultane Untersuchungen mit verschiedenen vaskulär-basierten funktionellen Methoden (funktionelle MRT, Positronen-Emissions Tomographie (PET), transcranielle Doppler-Sonographie (TCD)) aber auch die simultane Registrierung mit elektroencephalographisch registrierten, evozierten Potentialen im Zentrum. In Teil C werden Anwendungen der NIRS auf pathophysiologische Fragestellungen skizziert. Diese Perspektive der Methode ist insbesondere dadurch begründet, daß mit der NIRS bed-side Untersuchungen ohne großen apparativen Aufwand und über längere Zeiträume möglich sind. Erste Befunde bei Patienten mit akuten cerebralen Ischämien, bei Absencen Epilepsie und zur Alteration der funktionell evozierten vaskulären Antwort bei Patienten mit M. Alzheimer werden in diesem letzten Abschnitt zusammengefaßt.

Die Trennung in drei Teile dient vor allem der übersichtlichen Darstellung. Unsere Arbeit verfolgt den Ansatz, physikalisch-technische Prinzipien an physiologischen Modellen zu erproben. Gegenläufig wird aus der physiologischen Fragestellung der methodische Zugriff entwickelt, wie es etwa die Entwicklung des bildgebenden Systems in unserer Gruppe demonstriert. Dabei ist Validierung der Methode für die Anwendung bei funktionellen Aktivierungsstudien beim Erwachsenen der grundsätzlicheren Frage nach Abbildungen der Hirnfunktion untergeordnet. Jenseits der Beschreibung einer weiteren Methode soll also geprüft werden, wie die Methodik das Bild schärfen kann, das durch die vaskulär-basierten bildgebenden Techniken entworfen wird. Es ist unsere Überzeugung, daß nur mit einem solchen methodenkritischen Ansatz der Einsatz vaskulär-basierter bildgebender Techniken bei komplexen kognitiven Paradigmen aber auch bei der Anwendung auf das pathologisch veränderte Gehirn sinnvolle Aussagen zu Funktion und Dysfunktion getroffen werden können.


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Fri Jan 10 11:15:00 2003