Obrig, Hellmuth : Nahinfrarotspektroskopie des Gehirns

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Teil B
Physiologie: Untersuchungen zur neuro-vaskulären Kopplung

Die cerebrale hämodynamisch-metabolische Antwort auf einen Stimulus wird in den letzten Jahren für die bildgebenden Techniken des Gehirns zunehmend mit dem Begriff ‚Aktivierung’ gleichgesetzt. Dabei wird der Anstieg des regionalen cerebralen Blutfluß (rCBF) oder des regionalen Metabolismus als Ausdruck gesteigerter neuronaler Aktivität gewertet. Physiologisch steht hinter dieser operationalen Definition der Aktivierung das Konzept der neuro-vaskulären Kopplung. Grundsätzlich besteht Konsens über die Tatsache, daß Änderungen der neuronalen Aktivität von räumlich und zeitlich sehr gut korrelierten hämodynamischen und metabolischen Prozessen begleitet werden. Allerdings sollte nicht vergessen werden, daß der nicht-invasive Zugriff auf die Funktion des menschlichen Gehirns lange allein elektrophysiologischen Untersuchungen zugänglich war, die ‚Aktivierung’ oder neuronale ‚Aktivität’ aufgrund der oberflächlich abgeleiteten elektrischen Potentiale oder der elektromagnetischen Felder definieren. Die Frage, ob elektrophysiologische Verfahren oder vaskulär-metabolisch basierte Techniken der Bildgebung einen direkteren, primären Zugriff auf die Hirnfunktionen erlauben, ist müßig: ist die zeitliche Auflösung der elektrophysiologischen Verfahren exzellent, so ist erst mit den vaskulär-metabolisch basierten bildgebenden Techniken ein detaillierter Zugriff auf die funktionelle Anatomie beim Menschen nicht-invasiv möglich geworden. Unsere Arbeit mit der NIRS zielt daher nicht auf die Etablierung einer Methode, die ein ‚besseres’ Bild der Hirnfunktion ermöglicht. Unser Anliegen ist es vielmehr, die verschiedenen Abbilder der Hirnfunktion besser zu verstehen und dazu beizutragen, ein vielschichtigeres und damit realistischeres Gesamtbild zu erhalten.

Die methodisch technologischen Voraussetzungen der NIRS wurden im ersten Teil der Arbeit dargestellt. Es zeigt sich, daß neben den relativ robusten Bestimmungen der Konzentrationsänderungen des oxygenierten und deoxygenierten Hämoglobins ein Parameter der metabolischen Antwort und potentiell ein Parameter der neuronalen Antwort dargestellt werden können. Die bessere Definition des Meßvolumens muß als die größte Herausforderung bezüglich weiterer methodischer Entwicklungen eingeschätzt werden. Zu dieser Frage nach der räumlichen Auflösung zeigt Abbildung 11 (aus (Hubener et al. 1997)), daß Änderungen der optischen Eigenschaften cerebralen Gewebes prinzipiell ein sehr detailliertes Bild der funktionellen Anatomie zeigen können. Wie in Abbildung 1 (Seite 3) mit der fMRT beim Menschen sind die ‚ocular dominance columns’ hier am freigelegten visuellen Cortex der Katze dargestellt (schwarz-weiß


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Darstellung, unteres Bild). Gemessen wurden Reflektionsänderungen roten Lichtes (um 707 nm), mit dem der freigelegte Cortex beleuchtet wurde. Diese ‚intrinsic optical signals’ (IOS) wurden dann mit den verschiedenen Stimulusmodalitäten korreliert und so die ‚ocular dominace columns’ (ODC) kartographiert.

Abb. 11: Darstellung der Orientierungspräferenz (A) und der okulären Dominanz (B) in einem Ausschnitt des visuellen Cortex der Katze (Maßstab=1mm). Gemessen wurde die Reflektion bei Beleuchtung mit rotem Licht (Maximum 707 nm). Die erhaltenen intrinsic optical signals lassen eine räumlich sehr hochaufgelöste Differenzierung funktionell-anatomisch unterschiedlicher Eigenschaften des visuellen Systems zu. Die Farbkodierung der oberen Darstellung entspricht der Orientierungspräferenz für die neben der Abbildung gleichfarbig kodierten Winkel. In der unteren Karte des gleichen cortikalen Areals zeigt schwarz präferenzielle Aktivierung durch das contralaterale, weiß durch das ipsilaterale Auge. (Abbildung aus (Hubener et al. 1997))

In der gleichen Studie wurde zusätzlich die Orientierungspräferenz der Neurone im gleichen visuellen Areal untersucht, die im oberen, farbkodierten Bild dargestellt sind. Die exquisite räumliche Auflösung dieses invasiven Ansatzes wird trotz der in Teil A beschriebenen Ansätze zur Bildgebung und Tiefenauflösung der nicht-invasiven Anwendung der NIRS beim Menschen nicht zugänglich sein. Es sollte aber darauf hingewiesen werden, daß sowohl der Meßparameter des BOLD-Kontrastes in der fMRT Studie (Abb. 1, Seite 3) als auch die ‚intrinsic optical signals’ (IOS) als Parameter der invasiven Studie an der Katze (Abb. 11), mit den in der NIRS gemessenen Prametern korrelieren. Fragen zum physiologischen Ursprung und damit der Bedeutung beider Signale (BOLD-Kontrast und IOS) sind kontrovers. Im Rahmen der im folgenden Kapitel behandelten physiologischen Fragestellungen stehen daher grundlegende Fragen zur neuro-vaskulären Kopplung und Fragen zur Physiologie der bildgebenden Verfahren im Vordergrund. Untersucht wird, wie die mit verschiedenen Methoden generierten Bilder miteinander im Verhältnis stehen und welchen Beitrag die NIRS zu einer


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Zusammenschau der methodisch verschiedenen Bilder beitragen kann. Die Studien ordnen die gefundenen Änderungen der mit der NIRS gemessenen Parameter zunächst in ein Konzept der vaskulären Antwort auf eine physiologische Aktivierung des cerebralen Cortex ein. In weiteren Studien wird untersucht, in welchem Verhältnis die Meßparameter der mit unterschiedlichen vaskulär-basierten Verfahren gemessenen Antworten stehen, und in welcher Art sich die neuronale in der gemessenen vaskulären Antwort abbildet. Hinter diesen Arbeiten steht die Überzeugung, daß nur mit einem besseren Verständnis des Zusammenspiels neuronaler, metabolischer und vaskulärer Mechanismen ein realistisches Bild der Hirnaktivierung bei funktioneller Stimulation erreicht werden kann. Die in Teil B der vorliegenden Arbeit zusammengefaßten Studien sind in vier Gruppen gegliedert:

(B.1.) In einem ersten Schritt werden etablierte einfache Stimulationsmodelle genutzt, um das charakteristische Antwortmuster der NIRS-Parameter über einem aktivierten Hirnareal zu beschreiben. Einfache Paradigmen werden genutzt, da die cortikale Repräsentation dieser Stimuli durch Studien mit verschiedenen funktionellen Verfahren gut belegt ist. In diesem Abschnitt sind die Ergebnisse bei motorischer und visueller Stimulation zusammengefaßt und das typische Muster eines Anstiegs der oxy-Hb bei Abfall der deoxy-Hb Konzentration wird beschrieben. Für das visuelle System ließ sich auch die grobe spatiale Differenzierung sekundärer visueller Areale, für das motorische System im Rahmen einer komplexeren Go/NoGo-Aufgabe auch eine differentielle Aktivierung primär- und prä-motorischer Areale zeigen. Ansätze mit komplexen Paradigmen, deren funktionell-anatomische topographische Zuordnung variabel oder unscharf ist, werden im Anschluß hieran kritisch diskutiert.

(B.2.) Auf der Basis dieser Studien galt ein nächster Schritt dem Vergleich des beschriebenen Antwortmusters mit den Parametern anderer Verfahren, die die cerebrovaskuläre Antwort auf einen Stimulus abbilden. An erster Stelle ist dies die funktionelle Kernspintomographie, deren ‚blood oxygenation level dependent’, kurz BOLD-Kontrast, heute den meist genutzten Parameter für nicht-invasive funktionelle Stimulationsstudien beim Menschen darstellt (vergleiche Abb. 1, S. 3). Bereits früh wurden Suszeptibiliätsänderungen aufgrund von Änderungen der lokalen Konzentration des deoxy-Hb als wichtige physiologische Variable für den BOLD-Kontrast angenommen (Ogawa and Lee, 1990). In der hier dargestellten Studie wurden simultan mit der NIRS Änderungen der Oxygenierungsparameter ([oxy-Hb], [deoxy-Hb]) und in der fMRT BOLD-Kontrast Änderungen gemessen. Sie stellt den ersten methodisch unabhängigen Nachweis der physiologischen Grundlage des BOLD-Kontrastes dar. Im Rahmen simultaner Messungen mit der PET, in H2O-Bolus Technik, erlaubt sich ein Vergleich zwischen einem Meßparameter des regionalen cerebralen Blutfluß (rCBF) und den Oxygenierungsparametern der NIRS. Dies wurde in einer Studie bei kognitiver Stimulation untersucht. Weiterhin wurde bei einem einfachen motorischen Paradigma untersucht, wie sich die Blutflußgeschwindigkeit in der MCA (arteria cerebri media) im Vergleich zu den gemessenen


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Oxygenierungsänderungen verhält. Dazu wurden NIRS Messungen simultan mit kontinuierlicher transkranieller Dopplersonographie durchgeführt.

Aus den ersten beiden Schritten ergibt sich auch eine physiologische Validierung der mit der NIRS gemessenen Konzentrationsänderungen des oxy-Hb und deoxy-Hb <14>. In den folgenden beiden Abschnitten werden spezifische Fragestellungen zur Physiologie der bildgebenden Verfahren und eng damit verknüpft der neuro-vaskulären Kopplung thematisiert. Hier zeigt sich, daß mit der Nahinfrarotspektroskopie ein Verfahren zur Verfügung steht, das zu einem besseren Verständnis des Begriffs ‚Aktivierung’ bei funktioneller Stimulation des Gehirns beim Menschen beiträgt.

(B.3.) Funktionelle Studien identifizieren cortikale Areale aufgrund ihres Antwortverhaltens auf einen Stimulus. In den meisten Fällen werden hierzu die Meßparameter während der Stimulations- und Ruheperioden verglichen. Die Annahme des ‚ruhenden Gehirns’ ist allerdings ein Konstrukt, so daß gewöhnlich angenommen wird, daß spontane, stimulationsunabhängige Parameterschwankungen in der Mittelung unterdrückt werden. Damit wird eine weitere Annahme bezüglich der identischen Wiederholbarkeit einer Antwort auf den Stimulus gemacht. Schließlich wird oft nur die Änderung der Parameter in eine Richtung (Anstieg des BOLD-Kontrastes, Abfall der deoxy-Hb Konzentration) berücksichtigt und als ‚Aktivierung’ terminologisch gefaßt. Solche Vereinfachungen sind zur grundsätzlichen Darstellung funktionell relevanter Areale hilfreich, jedoch sind alle Annahmen nur bedingt richtig. Insbesondere wenn kleine Änderungen oder kurze Änderungen der Meßparameter, etwa im Rahmen eines ‚event-related’-Designs, untersucht werden sollen, ist es relevant, spontane Oszillationen der Meßparameter zu berücksichtigen, die zum Teil größere Amplituden aufweisen als die stimulus-evozierten Antworten. Auch ist der Begriff der ‚Aktivierung’ genauer zu fassen. Es ist zu fragen, ob Aktivierung die neuronalen Prozesse oder deren vaskuläre Antwort meint. Weiterhin wird bei Kenntnis inhibitorischer und exzitatorischer neuronaler Prozesse die Frage wichtig, inwiefern diese sich in je unterschiedlicher Art in der vaskulären Antwort abbilden.

(B.4.) Neben den grundsätzlichen Fragen zur cerebralen Hämodynamik sind bezüglich der Signalphysiologie insbesondere Fragen zur Linearität des Antwortverhaltens von Bedeutung. Der Versuch die Translation des Stimulus über eine neuronale cortikale Aktivierung in eine vaskuläre Antwort zu beschreiben, aber auch das Verhältnis dieser hämodynamischen Antwort zu den einzelnen


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Meßparametern sind essentiell zum Vergleich unterschiedlicher Studien, unterschiedlicher methodischer Ansätze aber auch zum Verständnis der zugrundeliegenden physiologischen Prozesse. In den Studien des Abschnitts B.4. werden diese Fragestellungen thematisiert.

Die Studien des Kapitels bearbeiten verschiedene physiologische Fragestellungen, die jedoch alle mit dem eingangs erwähnten Modell der neuro-vaskulären Kopplung in Zusammenhang stehen. Deshalb gibt der folgende Exkurs eine orientierende Einführung in das Modell der neuro-vaskulären Kopplung unter besonderer Berücksichtigung der Aspekte, die für die Physiologie der vaskulär-basierten funktionellen Bildgebung wichtig sind.

Exkurs 2:
Neuro-vaskuläre Kopplung

(Villringer and Dirnagl, 1995)

Ein funktionelles Paradigma kann psychophysisch betrachtet werden. Auch wenn die neurophysiologischen Vorgänge nicht apparativ untersucht werden, lassen sich anhand etwa von Reaktionszeiten plausible Modelle der cerebralen Verarbeitung erstellen <15>. Dabei kann nicht sicher zwischen den Einflüssen der rezeptiven, prozessiven und exekutiven oder neurophysiologisch zwischen peripher afferenten / efferenten und zentral connektiven Prozessen unterschieden werden (horizontale Achse der Abb. 12). Funktionelle Methoden zur Untersuchung cerebraler Prozesse können andererseits zwar mehr oder minder genaue Aussagen zum Ort und zum zeitlichen Ablauf der Prozesse treffen, allerdings ist anhand einer einzelnen Methode nur die Änderung eines Meßparameters in Abhängigkeit von einem Paradigma sicher zu beschreiben. Die meisten Studien


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gehen daher von einem psychophysischen Modell aus und versuchen, die gemessenen Parameter bestimmten Schritten der cerebralen Verarbeitung zuzuordnen. Es muß hierbei berücksichtigt werden, daß bei Anwendung einer einzelnen Methode nicht sicher differenziert werden kann, zwischen der Übersetzung des Paradigmas in einen cerebralen Prozeß, dessen Übersetzung in einen biologischen Parameter (Aktionspotential des Neurons, synaptische Aktivität, lokaler Blutfluß, lokale Sauerstoffsättigung) und der jeweiligen Abbildung in den gemessenen Parameter. Diese methodisch bedingte Transformation ist jedoch erheblich. Als Beispiel aus der Elektrophysiologie mögen visuell evozierte Potentiale (VEP) dienen, deren neurophysiologische Wertigkeit auch klinisch unzweifelhaft ist, ohne daß eine sichere Zuordnung der Potentialkomponenten zu einzelnen neuronalen Generatoren bisher gelungen ist. Für die vaskulären Methoden ist in der Abbildung 13 skizziert, daß die lokale Konzentration des deoxy-Hb, als wichtigste biologische Einflußgröße auf den BOLD-Kontrast, von verschiedenen biologischen Parametern abhängt, die wiederum in zum Teil unbekannten Maße direkt den Meßparameter BOLD-Kontrast beeinflussen.

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Abb. 12: Im Diagramm sind verschiedene ‚Achsen’ zu physiologischen Untersuchungen der Hirnfunktion dargestellt. Entlang der Horizontalen ergibt sich die psychophysische Betrachtungsweise, die einem definierten input einen gemessenen output (etwa die Reaktionszeit bei einem forced choice Paradigma) gegenüberstellt. Die aus solchen Ergebnissen hergeleiteten Modelle können nur sehr allgemeine Zuordnungen zu verschiedenen möglichen rezeptiven, exekutiven und vor allem auch cerebral verarbeitenden Schritten treffen. Entlang der vertikalen Achse der Darstellung sind apparative Zugriffe auf cerebrale Prozesse skizziert. Hier können zwar Aussagen zu Lokalisation und Dynamik der Verarbeitung getroffen werden, jedoch stellen die Meßergebnisse eine Faltung der physiologischen Prozesse mit einer neuronalen, vaskulären oder metabolischen Antwortfunktion dar. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß der jeweilige Meßparameter eine Transformation vom physiologischen zum physikalisch gemessenen Parameter erfährt. Die gleichzeitige Registrierung unterschiedlicher Antworten erlaubt eine Approximierung der Transformationen. Damit können Aussagen zur neuro-metabolisch-vaskulären Kopplung (Zentrum der Skizze) getroffen werden.

Die Begeisterung der neurophysiologischen Forschung der letzten Jahre, das methodische Arsenal zu erweitern, leitet sich daher aus der Hoffnung ab, im Vergleich der Ergebnisse ein weniger methodenabhängiges Bild der cerebralen Prozesse zu erstellen. Aus diesen Überlegungen folgt auch, daß nicht eine ideale Methode ausreichen kann, sondern daß eine Anzahl geeigneter komplementärer Methoden diesem Ziel dienen. Aus den zahlreichen Studien mit unterschiedlichen methodischen Ansätzen läßt sich ein Modell erstellen, das unter dem Begriff neuro-vaskuläre Kopplung gefaßt werden kann. Dieses wird in der Folge kurz skizziert und bezüglich aktueller Fragestellungen im Zusammenhang mit funktioneller Bildgebung des Gehirnes problematisiert.


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Das Konzept der neuro-vaskulären Kopplung besagt, daß eine Änderung der neuronalen Aktivität von einer vaskulären Antwort mit hoher zeitlicher und räumlicher Korrelation begleitet wird. Ursächlich wird ein gesteigerter Energiebedarf der Nervenzellen bei Zunahme der neuronalen Aktivität angenommen. Als Bindeglied zwischen der neuronalen und der vaskulären Antwort wird teils noch die metabolische Antwort differenziert, die neben dem Metabolismus des Sauerstoffs auch den der Glucose als Hauptsubstrat cerebraler Energiegewinnung berücksichtigt. Die Grundhypothese einer neuro-vaskulären Kopplung kann bei der enormen Evidenz mit unterschiedlichsten Methoden und in den unterschiedlichsten Stimulationsmodellen in zahlreichen Tiermodellen, aber auch beim Menschen als gesichert gelten. Hier endet die Übersichtlichkeit des Modells. Zu den Fragen, wie stark der metabolische Bedarf der Nervenzelle unter Stimulation ansteigt (Attwell and Laughlin, 2001), welches Substrat des Metabolismus (O2, Glucose/Lactat) (Mintun et al. 2001; Gjedde and Marrett, 2001; Buxton and Frank, 1997) die Regelgröße darstellt, welche Mediatoren die Kopplung steuern (NO, pH, Adenosin, vasale Neurone), wie die Latenz der vaskulären Antwort zu erklären ist, ob es eine frühe Hypoxygenierung gibt (‚initial dip’) (Lindauer et al. 2001; Vanzetta and Grinvald, 2001; Ernst and Hennig, 1994), wie sich die vaskuläre Antwort bei prolongierter Stimulation darstellt (Bandettini et al. 1997; Frahm et al. 1996) und ob die neuro-vaskuläre Kopplung ein homogenes Phänomen in unterschiedlichen Arealen darstellt, gibt es eine große Anzahl von Studien jedoch kein einheitlich konsensfähiges Ergebnis.

Phänomen: Hyperoxygenierung

In einer Studie mit der Positronen Emissionstomographie (PET) stellten Fox und Raichle 1986 dar, daß die Sauerstoffaufnahme (rCMRO2) im somatosensorischen Cortex bei Stimulation um ~ 5% ansteigt, während der lokale Blutfluß (rCBF) um ~ 30% ansteigt (Fox and Raichle, 1986). Diese Studie stellte das contra-intuitive Ergebnis einer lokalen Hyperoxygenierung in einem aktivierten cortikalen Areal vor. Es wurde gezeigt, daß es also trotz der angenommenen Zunahme des Energiebedarfs zu einer überschießenden Versorgung mit Sauerstoff kommt. Etwas ungünstig wurde das Phänomen als ‚focal uncoupling’ bezeichnet, stellt aber die eigentliche Basis der auf der neuro-vaskulären Kopplung basierenden funktionellen Bildgebung dar. Während die PET auch die metabolische Antwort messen kann, ist für den BOLD-Kontrast die Hyperoxygenierung konstitutiv, die sich aus einem disproportional großem Abtransport bei nur geringer lokaler Entstehung von [deoxy-Hb] durch den erhöhten Sauerstoffbedarf herleitet. Zur Erklärung des Phänomens wurden zwei Theorien vorgeschlagen. Die eine Theorie postuliert, daß nicht der Sauerstoff, sondern das Substrat des Energiemetabolismus die Regelgröße der Kopplung darstellt. Die andere erklärt die Hyperoxygenierung aus der Differenz zwischen dem Anstieg der Oxygenierung im Gefäß und dem Anstieg des O2-Partialdruckes im Gewebe. Aktuell kann keine der beiden Hypothesen die gemessenen Änderungen des Sauerstoffangebots und der Sauerstoffaufnahme oder des Glucose / Laktat -Metabolismus vollständig erklären, so daß eine Kombination beider Hypothesen notwendig erscheint


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(Gjedde and Marrett, 2001). Beide Hypothesen werden zum besseren Verständnis in der Folge dennoch separat dargestellt.

Abb. 13: In der Skizze sind die verschiedenen Einflußgrößen auf den ‚blood oxygenation level dependent’ Kontrast (BOLD) der fMRT dargestellt. Der Meßparameter wird am deutlichsten durch die lokale Konzentration des paramagnetischen deoxy-Hb beeinflußt. Diese Konzentration hängt wiederum von einer Reihe physiologischer Variablen, dem regionalen Blutfluß (rCBFv und rCBFv) und dem lokalen Sauerstoff Verbrauch (rCMRO2) ab.

Substrat-Hypothese

Magistretti und Mitarbeiter fanden einen Laktat-Shuttle zwischen den Neuronen und den Astrocyten, der zusammen mit dem Anstieg der Lactat-Produktion bei funktioneller Stimulation die Basis der Substrat-Hypothese bildet (Magistretti et al. 1999). Hierbei wird postuliert, daß in einem aktivierten Areal der Bedarf an ATP zunächst zur Glykolyse in den Astrozyten führt. Ein Teil des so entstandenen Laktats wird im weiteren von den Neuronen aufgenommen und dort über die oxidative Phosphorylierung metabolisiert. Die stöchiometrisch geringe ATP Ausbeute bei der Glykolyse würde einen initial überproportionalen Glukosebedarf bei funktioneller Aktivierung der Neuronenpopulation erklären und so das Substrat mehr als den Sauerstoffbedarf als Motor des lokalen Blutflußanstieges identifizieren. Für diese Hypothese sprechen Befunde aus der Arbeitsgruppe von Magistretti, die die zellulären Mechanismen der neuro-metabolischen Kopplung im Zusammenspiel der synaptisch freigesetzten Neuro-Transmitter der Natrium-Kalium Pumpe und des Laktat-Shuttles belegen (Magistretti, 2000). Es bot sich daher an, die Ergebnisse der funktionell bildgebenden Techniken auch beim Menschen in diesem Sinne zu interpretieren. Einerseits gibt es Arbeiten, die einen Laktat Anstieg zu Beginn einer funktionellen Aktivierung durch visuelle Stimulation belegen, der sich im Laufe einer prolongierten Stimulation zurückbildet (Sappey-Marinier et al. 1992; Frahm et al. 1996). Andererseits wurde aufgrund des in einer Reihe von Arbeiten gesehenen Abfalls des BOLD-Kontrastes bei prolongierter Stimulation eine metabolische Umstellung im Verlauf der Stimulationsperiode angenommen. Der Begriff des ‚recoupling’ bei länger andauernder Stimulation interpretiert den Abfall des BOLD-Kontrastes (parallel zum Abfall der lokalen Laktat Konzentration) als eine Umstellung auf oxidative Phosphorylierung im Verlauf der Stimulationsperiode (Frahm et al. 1996). Der bei einigen


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Stimulationsmodalitäten gesehene ‚post-stimulus-undershoot’, der einem Anstieg der lokalen deoxy-Hb Konzentration entspricht, wird in diesem Modell ebenfalls mit der Trägheit der Umstellung zu einem neuen Gleichgewicht zwischen oxidativer Phosphorylierung und Glykolyse interpretiert.

Die Substrat-Hypothese kann nicht als einzig konstitutiver Faktor für die lokale Blutflußsteigerung mit resultierender lokaler Hyperoxygenierung gehalten werden. In der ausgiebig geführten Kontroverse zwischen verschiedenen fMRT-Gruppen gibt es inzwischen eine Reihe von Studien, die für eine Konstanz des BOLD-Kontrastes auch bei prolongierter Stimulation sprechen (Bandettini et al. 1997; Howseman et al. 1998; Kruger et al. 1999). Eine Attenuierung der BOLD-Antwort muß nach derzeitigem Stand der Forschung auch eine Attenuierung der fokalen neuronalen Aktivität bei prolongierter Stimulation berücksichtigen (siehe auch Studie B.4.3. der vorliegenden Arbeit). Die Kontroverse hat neben weiteren Ergebnissen auch aus der tierexperimentellen Forschung dazu beigetragen, das relativ einfache, mechanistische Bild einer Übertragung des Stimulus in eine vaskuläre Antwort durch die Sicht abzulösen, daß eine Interaktion der neuronalen, metabolischen und vaskulären Änderungen bei funktioneller Stimulation besteht (Shulman et al. 2001). Die differenziertere Sichtweise ist vor allem hilfreich, um Differenzen zwischen unterschiedlichen Stimulusmodalitäten zu verstehen (Vafaee et al. 1998). Auch sind interindividuelle Unterschiede und Änderungen der metabolischen Antwort bei pathologischen Alterationen (Chiappa et al. 1999; Hill et al. 1999; Ueki et al. 1988; Lauritzen, 1994) zu berücksichtigen, wenn anhand einer vaskulären Methode Aussagen zur cerebralen Aktivierung getroffen werden.

Diffusibilitäts-Hypothese

Eine andere Erklärung zur fokalen Hyperoxygenierung bei funktioneller Stimulation leitet sich von der Differenz der in den meisten Verfahren gemessenen vaskulären Oxygenierung (also dem an Hämoglobin gebundenen O2) und dem O2-Partialdruck im Gewebe ab. Gjedde und Ko-Autoren haben früh darauf hingewiesen, daß ein Gradient zwischen der Sauerstoffspannung im Gefäß und im Gewebe besteht (Kuwabara et al. 1992). Um im Gewebe einen nur geringen Anstieg des Sauerstoffbedarfes zu bedienen, muß der Blutfluß disproportional stark ansteigen. Verschiedene Modellierungen wurden vorgeschlagen (Buxton and Frank, 1997; Vafaee and Gjedde, 1999). Konstitutiv ist hier die grundsätzliche Hypothese, daß der Blutfluß letztendlich sehr genau den Bedarf an Sauerstoff am Ort des metabolischen Bedarfes, also am Mitochondrium im neuronalen Gewebe, bedient. Auch konnten Gjedde und Mitarbeiter im Gegensatz zu den Studien von Fox und Raichle zeigen, daß durchaus eine Zunahme des oxidativen Metabolismus in den aktivierten Neuronen statthat (Vafaee et al. 1998). Dies widerspricht der Vorstellung eines metabolischen ‚Umschaltens’ der cerebralen Energiegewinnung bei funktioneller Aktivierung. Zusammen mit der primär physikalischen Änderung der Diffusionskapazität bei Zunahme des Gefäßdurchschnitts (rCBVuarr) und gleichzeitiger Zunahme der


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Flußgeschwindigkeit (rCBFvuarr) ist die für den BOLD-Kontrast konstitutive Hyperoxygenierung damit ohne ein Umschalten des Metabolismus von oxidativer Phosphorylierung zur Glykolyse erklärbar.

Abb. 14: Die Abbildung leitet den fokalen Abfall der deoxy-Hb Konzentration in einem Meßvolumen (Voxel) aus den Größen Blutflußgeschwindigkeit (rCBFv) und Blutvolumen (rCBV) her. Angenommen wird ein konstanter O2 -Verbrauch (mit resultierender Entstehung von deoxy-Hb) im Voxel. Zur Erhöhung der Konzentration des [oxy-Hb] im Voxel, kann das Volumen (rCBV, im Beispiel durch Erhöhung des Kapillardurchmessers) erhöht werden. Dabei ändert sich im Modell die absolute Konzentration des deoxy-Hb jedoch nicht. Nur wenn die Flußgeschwindigkeit (rCBFv) des Blutes ansteigt (also das entstehende deoxy-Hb rascher aus dem Voxel ausgewaschen wird) fällt die lokale Konzentration des deoxy-Hb im Vergleich zur ‚baseline’ ab. Bei funktioneller Stimulation ist von einem Anstieg sowohl der Flußgeschwindigkeit als auch des Volumens auszugehen. Der - in der Darstellung nicht berücksichtigte - Anstieg des Sauerstoffverbrauches wird durch den Anstieg der Flußgeschwindigkeit überkompensiert. Für die NIRS leitet sich aus dem Szenario ein Anstieg des [tot-Hb] und [oxy-Hb] bei gleichzeitigem Abfall des lokalen [deoxy-Hb] im Meßvolumen (= Voxel) ab, der in einer Reihe von funktionellen Aktivierungsstudien bestätigt wurde. (modifiziert nach (Villringer and Dirnagl, 1995))

Die Differenzen der Hypothesen gründen sich auf zum Teil widersprüchliche Ergebnisse der zugrundeliegenden Studien. Sie sind jedoch prinzipiell nicht unvereinbar, da auch die Studien zur Unterstützung letzterer Theorie Verschiebungen des Glucose-Laktat-Pyruvat Verhältnisses konstatieren. So prädiziert Gjedde etwa (Gjedde and Marrett, 2001), daß bestimmte Stimuli einen raschen Abfall des BOLD Kontrastes im ‚aktivierten’ Areal hervorrufen können, sobald die lokale Zunahme des O2-Metabolismus den Anstieg des lokalen Blutfluß erreicht. Gleichzeitig wird der Begriff des adäquaten Stimulus eingeführt, der meint, daß unterschiedliche Stimulusmodalitäten in unterschiedlichen Arealen, verschiedene Muster der Oxygenierung und des Metabolismus hervorrufen. Die derzeit relevanten Fragen richten sich daher nicht auf den Beweis der jeweiligen Theorie, sondern müssen einerseits auf zellulärer Ebene verläßliche Daten zum Metabolismus bei Änderung der neuronalen Aktivität erbringen und andererseits die neuronale Antwort registrieren, um Änderungen des neuronalen Inputs nicht fälschlich als Änderungen der Kopplung zu interpretieren.


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Maß des neuronalen Inputs

Jenseits der Hypothesen zur Erklärung der fokalen Hyperoxygenierung und der metabolischen Prozesse besteht Einigkeit über die Zunahme des Energiebedarfs bei funktioneller Stimulation im neuronal aktivierten Gewebe. Dabei muß berücksichtigt werden, daß ein Anstieg des Energiebedarfs an verschiedenen Teilen des Neurons aber auch in der umgebenden Glia möglich sind (Attwell and Laughlin, 2001). Jueptner und Weiller kommen 1995 in einer Literaturübersicht zum Schluß, daß die synaptische Aktivität, genauer die präsynaptischen Axon-Endigungen, wichtigster Konsument der metabolisierten Glucose sind (Jueptner and Weiller, 1995). In dem in der Gruppe von Lauritzen genutzten Kleinhirnmodell bestehen jedoch abhängig von der Stimulationsart und -frequenz Korrelationen zwischen prä- und postsynaptischer Aktivität mit dem rCBF. Bei prolongierter Stimulation (>60 s) zerfällt die Korrelation zwischen beiden Größen (Mathiesen et al. 2000). Diese ultrastrukturellen Zuordnungen erscheinen von geringer Relevanz, wird mit weitaus geringer auflösenden bildgebenden Techniken beim Menschen gemessen. Das Konzept, ‚hot spots’ vaskulär-metabolisch-neuronaler Aktivität zu identifizieren und diese bestimmten cerebralen Prozessen zuzuordnen, ist aber in seiner Wertigkeit sehr wohl abhängig davon, ob ‚Aktivierung’ auf neuronaler Ebene synaptischen Transfer, lokale Feldpotentiale (LFP) oder Spike-Aktivität meint (Lauritzen, 2001). Die Frage nach der Korrelation des BOLD-Kontrastes zu elektrophysiologisch gemessenen Größen ist so auch in rezenten Arbeiten thematisiert worden. Das Verhältnis zwischen Änderungen der Spike-Rate und BOLD-Kontrast ergab für unterschiedliche Areale im visuellen Cortex bei ähnlicher dynamischer Spreizung der Stimulusintensität Werte, die um den Faktor 20 variieren, so daß die einfache Korrelation zwischen Spike-Rate und BOLD-Kontrast Änderungen nicht plausibel erscheint (Heeger et al. 2000; Rees et al. 2000). Auch konnte in einer Arbeit, in der gleichzeitig Spike-Aktivität, LFPs und Änderungen des BOLD-Kontrasts gemessen wurden, eine bessere Korrelation zwischen den LFPs und der vaskulären Antwort nachgewiesen werden (Logothetis et al. 2001). Die Differenz zwischen der Spike-Aktivität einzelner richtungs-selektiver Neurone und der integrierten Aktivität einer Neuronenpopulation in V5 wird in einer Studie illustriert, die zeigt, daß die Spike-Rate einzelner Neurone deutlich von der Orientierung des Stimulus, die integrierte Aktivität jedoch stark von der Modulation der baseline-Aktivität (Aufmerksamkeit etc.) abhängt (Scannell and Young, 1999). Es besteht also eine grundsätzliche Konvergenz der Studien, elektrophysiologische single-unit Aktivität als einen schlechten Prädiktor der evozierten metabolisch-vaskulären Antwort anzunehmen. Umgekehrt ist die Frage, ob LFPs oder die nicht-invasiv gemessenen Analoga in Form der evozierten Potentiale einen guten Prädiktor darstellen, bisher offen. Hinweise hierfür stellen Studien zu somatosensorisch evozierten Potentialen im Tiermodell (Ngai et al. 1999) aber auch beim Menschen dar (Arthurs et al. 2000).


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Exzitation, Inhibition und Deaktivierung

Im Zusammenhang mit der neuro-vaskulären Kopplung ist auf eine weitere Problemstellung hinzuweisen, die bei der Übertragung gemessener vaskulärer Antworten in eine zugrundeliegende neuronale Antwort berücksichtigt werden muß. Die Terminologie der ‚Aktivierung’ scheint exzitatorische neuronale Aktivität zu implizieren. Daß inhibitorische Prozesse durchaus relevant bei der Ausführung komplexer Paradigmen sind, ist andererseits bekannt (Nyberg et al. 1996). Auch ist dargestellt worden, daß die Aktivität inhibitorischer Neurone ebenfalls zu lokaler Glucose-Aufnahme führt (Ackermann et al. 1984; Nudo and Masterton, 1986). Damit wird deutlich, daß prinzipiell eine Zunahme des lokalen Blutflusses auch einen aktiv inhibitorischen Prozeß darstellen kann. Davon zu trennen ist die Frage, wie und ob ein Areal, das eine Reduktion des exzitatorischen Input im Rahmen eines Stimulationspardigmas erfährt, sich in einem vaskulär-basierten bildgebenden Verfahren darstellt. Hierfür wird in einigen Arbeiten der Begriff der ‚Deaktivierung’ der ‚aktiven Inhibition’ gegenübergestellt. In den meisten bildgebenden Studien besteht das Ergebnis in einer Topographie von fokalen Zu- und Abnahmen des rCBF oder abhängiger Meßparameter. Lauritzen formuliert die Zuordnung zu den zugrundeliegenden neuronalen Vorgängen in Analogie zur Elektrophysiologie als ‚inverses Problem’ (Lauritzen, 2001). Zwar stellen Waldvogel und Ko-Autoren Daten vor, bei denen die Inhibition des motorischen Cortex im Rahmen einer Go/NoGo-Aufgabe als Modell für cortikale Inhibition genutzt wird, und folgern aus den Ergebnissen, daß inhibitorische Prozesse keine Änderungen des BOLD-Kontrastes hervorrufen (Waldvogel et al. 2000). Die Verallgemeinerung, daß dieses Modell die grundsätzliche Zuordnung einer Zunahme des BOLD-Kontrastes zu exzitatorischen neuronalen Prozessen erlaubt, bleibt dennoch zu bezweifeln. Es erscheint daher sinnvoll, bei der Beurteilung gemessener Änderungen blutflußabhängiger Meßparameter zunächst nicht die neuronale Exzitation oder Inhibition anzunehmen, sondern diese anhand zusätzlicher Meßparameter nachzuweisen oder im Rahmen von Hypothesen der Konnektivität zu deduzieren (Nyberg et al. 1996).

Zeitgang der vaskulären Antwort

Schließlich sind Latenz und Zeitverlauf der vaskulären Antwort zwar in den verschiedensten Techniken dargestellt worden, jedoch bestehen auch hier erhebliche Kontroversen bezüglich der Zuordnung und Existenz von nicht linearem Verhalten insbesondere zu Beginn und nach Beendigung des Stimulus (Friston et al. 2000; Mechelli et al. 2001). Eine grundsätzliche Einigkeit besteht, auch im Vergleich unterschiedlicher methodischer Ansätze, ob der relativen Trägheit der vaskulären Antwort, die ein Maximum etwa 5-7 s nach Beginn der Stimulation erreicht (Frahm et al. 1992; Bandettini et al. 1992; Newell et al. 1992; Aaslid, 1987; Mayhew et al. 1998; Lindauer et al. 1993). Die Definition des Beginns der vaskulären Antwort ist jedoch kontrovers, zumal Uneinigkeit über die Frage besteht, ob es zu Beginn eine transiente Hypoxygenierung gibt (‚initial dip’). Ein solcher kurzzeitiger Anstieg der [deoxy-Hb] Konzentration (mit folgendem trägerem Abfall) wird von der Gruppe um Grinvald


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berichtet (Malonek et al. 1997),(Vanzetta and Grinvald, 2001) konnte jedoch nicht einheitlich (Mayhew et al. 1998) oder nicht (Lindauer et al. 2001) reproduziert werden. Neben der kurzen Latenz des kontroversen ‚dips’ bezogen auf den Beginn der Stimulation wird in den optischen Studien an der Katze weiterhin gezeigt, daß diese ‚frühe’ <16> Antwort, für die ein kurzfristiger mismatch zwischen dem gesteigerten metabolischen O2-Bedarf und der trägeren vaskulären Antwort angenommen wird, auch schärfer lokalisiert ist als die folgende Hyperoxygenierung. Damit ist die Existenz einer solchen frühen Hypoxygenierung auch für die BOLD-Kontrast basierte fMRT (Duong et al. 2000) von großer Relevanz, da die kurze Latenz und die höhere Fokalität dieser initialen Hypoxygenierung eine Verbesserung der zeitlichen und räumlichen Auflösung der Bildgebung verspricht (Hu et al. 1997; Menon et al. 1995). Diese Ergebnisse sind aber ebenfalls nicht einheitlich reproduziert worden (Marota et al. 1999; Fransson et al. 1998).

Zusammenfassung

Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Problemstellungen mag es überraschend erscheinen, daß die vaskuläre Antwort als Prädiktor neuronaler Aktivität genutzt wird. Während also eine große Anzahl funktioneller Aktivierungsstudien die Existenz eines relativ einfachen Verhältnisses zwischen der zugrundeliegenden neuronalen Antwort und der evozierten vaskulären Antwort annimmt, ist es in der Tat unsere Absicht eine produktive Skepsis hervorzurufen, die die Notwendigkeit unterstreicht, physiologische Grundlagen funktioneller Bildgebung genauer zu verstehen. Hier, so sind wir überzeugt, hat die NIRS insbesondere bei Vergleich mit den Ergebnissen simultan angewandter weiterer methodischer Ansätze einen hohen Stellenwert. Die in den folgenden Abschnitten dargestellten Studien sind unseres Erachtens Evidenz für eine Relevanz der Methodik jenseits der schlichten methodischen Vielfalt.


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B.1. Beschreibung der ‚typischen’ NIRS Antwort über einem aktivierten cortikalen Areal

B.1.1. Oxygenierungsänderungen bei motorischer Stimulation

(Obrig et al. 1996)*

Als erstes physiologisches Modell zur Beschreibung der typischen NIRS Antwort über einem funktionell aktivierten Areal wurde die Antwort auf eine einfache Fingeroppositionsaufgabe untersucht. Die NIRS Proben des einkanaligen cw-Monitors (NIRO-500, Hamamatsu, Germany) wurden nach der 10-20 Methode über C3 oder C4 angebracht. Die Zielstruktur stellte die Handregion des primär motorischen Cortex (M1) dar. Alternierend führten die Probanden eine Opposition des Daumens mit den restlichen Fingern der Hand jeweils ipsi- und contralateral zur Probenlokalisation durch. Die Ergebnisse zeigen einen Anstieg der oxy-Hb bei gleichzeitigem Abfall der deoxy-Hb Konzentration. Diese Änderungen sind bei contralateraler motorischer Aktivierung größer und zeigen eine Abhängigkeit von der Frequenz der Fingeropposition. Die Lateralisation und Frequenzabhängigkeit der Antwort stellen eine physiologische Validierung des cortikalen Beitrages zu den gemessenen Änderungen dar. Unterschiede bestehen bezüglich der Zeitverläufe des [oxy-Hb] und [deoxy-Hb]. Zeigt das deoxy-Hb einen monophasischen Verlauf, treten beim oxy-Hb ein initialer ‚overshoot’ und ein deutlicher ‚undershoot’ nach Ende der Stimulation auf. Verschiedene Interpretationen sind möglich: (1) die systemischen hämodynamischen Änderungen (Blutdruck) zeigen zu Beginn der Stimulation eine Änderung, die sich stärker im [oxy-Hb] widerspiegelt. Dies sollte allerdings keine Lateralisierung hervorrufen. (2) Blutflußgeschwindigkeit (rCBFv) und -volumen (rCBV) folgen unterschiedlicher Dynamik, wie es für die Erklärung des post-Stimulus ‚undershoot’ beim BOLD-Kontrast vorgeschlagen wurde (Mandeville et al. 1999). Bei dieser Interpretation ist allerdings auch im [deoxy-Hb] ein Anstieg nach der Stimulation zu erwarten. (3) Langsame spontane Oszillationen von ~ 0,1 Hz sind im [oxy-Hb] prominenter als im [deoxy-Hb] und ‚überstehen’ so die Mittelung über die Versuchsdurchgänge (Obrig et al. 2000a)*. Eine Synchronisierung der Oszillationen auf den Beginn der Stimulation (entrainment) könnte die große Amplitude der over-/undershoot Phänomene erklären (Mayhew et al. 1996). Diese erste funktionelle Studie läßt eine sichere Zuordnung zu den einzelnen vorgeschlagenen Erklärungen nicht zu, jedoch werden unten einzelne Aspekte der Hypothesen in weiteren Studien thematisiert. Ein Zusammenspiel verschiedener Faktoren ist wahrscheinlich


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B.1.2. Oxygenierungsänderungen bei visueller Stimulation

(Wenzel et al. 1996)

Liegen die motorischen und somatosensiblen primären Cortices an der Hirnoberfläche, ist der Sulcus calcarinus am Übergang zwischen dem Okzipitallappen und dem Interhemisphärenspalt lokalisiert. Die ersten visuellen Stimulationsexperimente nutzten daher komplexe, farbige und bewegte Stimuli, um auch extrastriäre (V2 -V4) Areale zu stimulieren. Auch wurden bei den ersten Studien zur besseren Lokalisation die Proben zum Teil individuell aufgrund eines anatomischen MRTs positioniert (höhere Variabilität des sulcus calcarinus in Bezug auf das 10-20 System im Vergleich zum sulcus centralis (Steinmetz et al. 1989)). Die Ergebnisse zeigen ein qualitativ gleiches Antwortmuster, wie es bei der motorischen Stimulation über der Zentralregion gesehen wurde. Die Charakteristika des Zeitverlaufes des [oxy-Hb] zu Beginn und nach Ende der Stimulation sind jedoch nicht vorhanden. Im Vergleich mit der Studie zur motorischen Stimulation lassen sich diese Unterschiede hypothetisch durch die geringere systemische RR-Antwort bei dem rezeptiven Paradigma, aber auch durch das differente Stimulationsprotokoll (30s Stimulus / 30s Ruhe) erklären. Schließlich ist bei der engen anatomischen Nachbarschaft zum Sinus sagittalis auch dessen Einfluß auf gemessene Oxygenierungsänderungen zu berücksichtigen. Eine Zunahme des Blutvolumens (CBV) im Sinus ist bei funktioneller Stimulation nicht zu erwarten. Hypothetisch lassen sich so die geringeren Änderungen des [tot-Hb] ( = [oxy-Hb] + [deoxy-Hb] ) im Vergleich zum motorischen Paradigma auch durch eine relative Konstanz des Blutvolumens (CBV) erklären.

In späteren Studien wurden auch verschiedene Schachbrettmuster als visuelle Paradigmata etabliert. Im Rahmen der Beschreibung der typischen NIRS-Antwort über einem funktionell aktivierten coritikalen Areal ist eine spätere Studie mit einem Zweikanal-Monitor <17> zu erwähnen, bei der alternierend das linke und rechte Halbfeld stimuliert wurden. Die gemessenen Änderungen über den beiden Occipitalpolen entspricht der erwarteten Projektion nach contralateral (Colier et al. 2001). In Analogie zum motorischen Paradigma wurde so auch für diesen Stimulus eine physiologische Validierung des cortikalen Ursprungs der gemessenen Oxygenierungsänderungen erbracht.


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Abb. 15: Ergebnisse mit einem Zweikanalmonitor bei visueller Halbfeldstimulation (Colier et al. 2001). Es wurden alternierend das linke (oben) und rechte Halbfeld (unten) mit einem Schachbrettmuster stimuliert. Die typische NIRS Antwort, bestehend aus einem Anstieg des [oxy-Hb] und einem Abfall des [deoxy-Hb], zeigen sich jeweils unter dem Probenpaar, das über der contralateralen Occipitalregion angebracht ist. (nach Colier et al. (Colier et al. 2001))

B.1.3. Weitere Stimulationsparadigmata

(Obrig et al. 2000b; Ruben et al. 1997)

Eine Zuordnung unterschiedlicher funktioneller Areale bei differentieller Stimulation gelang im visuellen System für das Areal V5, das insbesondere auf bewegte Stimuli eine Antwort zeigt (analog zu MT, wie im Tiermodell am Makaken gut belegt (Tootell et al. 1995)). Da die anatomische Lokalisation deutlich lateral von den anderen visuellen Arealen anzunehmen ist, ließ sich mit dem einkanaligen System bei alternierender Stimulation durch stationäre und bewegte Objekte eine differentielle Antwort auf die beiden Stimulusmodalitäten auch mit diesem einfachen NIRS-Ansatz darstellen (Ruben et al. 1997). Eine grobe Lokalisation mit dem oben vorgestellten, bildgebenden System gelang kürzlich. Bei diesem Experiment wurde der MT/V5-spezifische Stimulus, bestehend aus kontrastarmen, langsam expandierenden und kontrahierenden konzentrischen Ringen, einem anulären, alternierenden Schachbrettmuster gegenübergestellt. Die Abbildung 16 zeigt eine sehr grobe topographische Zuordnung zu dem lateral gelegenen Maximum bei MT/V5 Stimulation und den mehr medial gelegenen Maxima bei Stimulation durch das Schachbrettmuster.

Für das motorische System wurde ebenfalls ein komplexer Stimulus untersucht. Bei einem klassischen Go/NoGo-Paradigma mit motorischer Antwort wurden mit dem Mehr-Kanal Ansatz (CCD, Ganzspektrum Aufbau, s.o.) die Oxygenierungsänderungen simultan über C4 und F4/Fp4 gemessen.


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Die Ergebnisse lassen eine grobe Differenzierung in die primär und prämotorische Antwort zu. Über dem prämotorischen Areal ließ sich eine Oxygenierungsänderung analog zur elekrophysiologisch gut etablierten CNV (contingent negative variation) nachweisen (Brunia and van Boxtel, 2001). Auch zeigte dieses Experiment, daß eine motorisch evozierte NIRS-Antwort bereits auf eine einmalige Fingerflexion gut nachzuweisen ist und eine Lateralisierung analog zu dem oben beschriebenen Block-Design zeigt (Obrig et al. 2000b)*.

Abb. 16: zeigt die Änderungen des [deoxy-Hb] während eines Schachbrettstimulus (links) und einem Stimulus, der V5 aktiviert (rechts). Das 10*5 cm große Imager-Pad wurde über der linken Occipitalregion angebracht. Der Abfall des [deoxy-Hb] ist blau dargestellt. Eine Verschiebung der Antwortmaxima von medial nach lateral ist zu erkennen.

Weitere komplexe Stimuli wie Wortgenerations-Aufgaben, Rechenaufgaben und Stroop-Paradigmata wurden initial von unserer Gruppe genutzt (Villringer et al. 1993), da die erwarteten Aktivierungen im frontalen Cortex eine Positionierung der Optoden über der - haarlosen - Stirn und damit einen größeren Probenabstand zulassen. Die Rationale bei diesen initialen Studien war, durch einen möglichst großen Probenabstand einen intracerebralen Signalbeitrag sicherzustellen. Das typische Antwortverhalten eines [deoxy-Hb] Abfalls und eines Anstieges des [oxy-Hb] konnte auch für diese Paradigmen gezeigt werden. Es muß allerdings kritisch angemerkt werden, daß bei der schlecht definierten Fokalität der erwarteten neuronalen Antwort und insbesondere bei fehlender Kontrollbedingung (entsprechend etwa der Lateralisierung bei den motorischen und visuellen Stimuli) die Wertigkeit der Ergebnisse bezüglich der Beschreibung eines typischen cortikalen NIRS-Antwortmusters begrenzt ist. Bei komplexeren kognitiven Paradigmen ist mit großer Wahrscheinlichkeit von einer systemischen, vegetativen Reaktion auszugehen. Der Vergleich


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zwischen Stimulation und Ruhe kann daher nicht den sicheren Nachweis eines cerebralen Beitrags zu den gemessenen Änderungen erbringen.

Aus den Ergebnissen der vorangehend dargestellten Studien folgt, daß die typische NIRS-Antwort über einem aktivierten cortikalen Areal aus einem Abfall des [deoxy-Hb] und einem meist größeren Anstieg des [oxy-Hb] besteht. Es resultiert damit in den meisten Fällen ein Anstieg des [tot-Hb], das ein Maß für das korpuskuläre Blutvolumen darstellt. Das hier beschriebene Antwortmuster ist im Einklang mit dem Modell der neuro-vaskulären Kopplung, nach dem ein räumlich und zeitlich gut korrelierter Anstieg des rCBF in einem fuktionell aktivierten Areal zu erwarten ist. Der Abfall des [deoxy-Hb] wird durch eine Zunahme der regionalen Flußgeschwindigkeit (rCBFv) erklärt, die tierexperimentell mit der Laser Doppler Flowmetry bei funktioneller Stimulation nachgewiesen wurde (Lindauer et al. 1993). Auch entspricht der Abfall der deoxy-Hb Konzentration dem physiologischen Ursprung eines lokalisierten Anstiegs des BOLD-Kontrast (Ogawa and Lee, 1990; Kleinschmidt et al. 1996)* (vergl. auch B.2.1.). Die Zunahme des regionalen Blutfluß und Blutvolumens ist schließlich in Einklang mit den Ergebnissen der Butanol- und H215O PET, die Anstiege des rCBF zum Teil auch quantitativ für funktionelle Aktivierung in zahlreichen Studien nachgewiesen haben (Grafton et al. 1993; Grafton et al. 1991; Quarles et al. 1993).

Es sollte an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß einer Reihe von Studien in der Literatur keine klare Definition des erwarteten Antwortverhaltens der NIRS Parameter über einem funktionell aktivierten Areal zugrunde liegen. Teils werden nur die Anstiege des [oxy-Hb] berichtet oder auch Anstiege des [deoxy-Hb] als Zeichen funktioneller Aktivierung des untersuchten Areals gewertet. Wir halten es für notwendig, solche Antwortmuster, die nicht mit dem Konzept eines lokalen Anstiegs des rCBF und einer resultierenden Hyperoxygenierung in Einklang sind, physiologisch zu begründen, da sie im Gegensatz zu der Evidenz zahlreicher funktioneller Studien mit der BOLD-Kontrast fMRT und der PET stehen. In Neugeborenen und Kleinkindern wurden fokale Abfälle des BOLD-Kontrast bei funktioneller Stimulation in der fMRT berichtet (Yamada et al. 1997; Born et al. 2000; Martin and Marcar, 2001). Diese Ergebnisse mögen darauf hinweisen, daß es auch physiologische Abweichungen von dem beschriebenen Antwortverhalten gibt. Bei der NIRS ist jedoch, solange keine sichere Definition des Meßvolumens vorliegt, bei der Interpretation der Ergebnisse zu bedenken, daß Änderungen der systemischen (Blutdruck) oder der extracerebralen Hämodynamik durchaus zu einer Änderung der gemessenen [oxy-Hb] und [deoxy-Hb] Konzentrationen führen. Die sichere Zuordnung zu cerebralen Prozessen gelingt daher nur, wenn ein physiologisches Modell (wie etwa der Vergleich zwischen ipsi- und kontralateraler motorischer Stimulation), ein Ansatz zur Tiefenauflösung (siehe A.3.) oder eine physiologische Plausibilisierung aufgrund der Fokalität der gemessenen Änderungen (siehe ‚Bildgebung’, Kapitel A.4.) vorliegen. Diese Forderung erscheint insbesondere dann relevant, wenn Muster der NIRS-Antwort gefunden werden, die nicht aus dem oben beschriebenen Modell der neurovaskulären Kopplung folgen.


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Die von uns beschriebene ‚typische Antwort’ über einem aktivierten cortikalen Areal, bestehend aus einem Anstieg des [oxy-Hb] und einem Abfall des [deoxy-Hb], ist mit dem physiologischen Modell der neurovaskulären Kopplung konsistent, wie sie in einer Reihe anderer Verfahren und auch im Tiermodell gut belegt ist. Im folgenden Abschnitt werden die Studien berichtet, die unsere Gruppe zur Validierung des Antwortverhaltens im Methodenvergleich durchführte.

B.2. Korrelation mit vaskulär-basierten funktionellen Methoden

B.2.1. Simultane NIRS und BOLD-Kontrast fMRT Messungen

(Kleinschmidt et al. 1996)*

BOLD-Kontrast Änderungen in funktionell aktivierten cerebralen Arealen stellen derzeit den wohl relevantesten Parameter zur nicht-invasiven Darstellung funktioneller Anatomie am Menschen dar. Zwei unserer Studien untersuchten die Korrelation zwischen BOLD-Kontrast Änderungen und den simultan gemessenen NIRS Parametern. Die erste Studie nutzte das oben beschriebene motorische Paradigma in einem Blockdesign (Blöcke von 18 s kontinuierlicher Fingeropposition, die alternierend ipsi- und contralateral zur Positionierung der NIRS-Proben über der linken Zentralregion ausgeführt wurden; 36 s Ruhe zwischen den Stimulationsblöcken). Die Proben wurden über C3 lokalisiert und teils aufgrund des anatomischen MR repositioniert. Das Ergebnis ist eine gute Korrelation des [deoxy-Hb] Abfalls mit dem BOLD-Kontrast Anstieg. Bei Fehlpositionierung der NIRS-Proben, wurde kein stimulus-korrelierter [deoxy-Hb] Abfall gesehen. Die Änderungen des [oxy-Hb] korrelierten weniger gut mit den Änderungen des BOLD-Kontrastes. In einer weiteren Studie wurde ein single-trial Design untersucht. Außerdem wurde bei den Versuchspersonen in einem Vorexperiment nicht-invasiv der Blutdruck gleichzeitig zu den Oxygenierungsänderungen aufgezeichnet. Bezüglich der Korrelation zwischen BOLD-Kontrast Änderungen und dem Abfall des [deoxy-Hb], gemessenen mit der NIRS, ergaben sich ähnliche Ergebnisse. Auch in diesem single-trial Ansatz waren die stimulations-korrelierten [deoxy-Hb]-Abfälle dann am deutlichsten, wenn die Proben über dem Areal des maximalen cerebralen BOLD-Kontrast Anstieges lokalisiert waren. Bei ipsilateraler motorischer Aktivierung ergaben sich in beiden Verfahren geringere Änderungen der Parameter. In diesem Zusammenhang sind die Ergebnisse der Vorstudie mit simultaner kontinuierlicher RR-Messung bemerkenswert.


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Abb. 17: Single-trial Studie bei motorischer Stimulation (einfache Fingerextension und -flexion). Änderungen des BOLD-Kontrastes und Änderungen der Oxygenierung wurden mit fMRT und einem Zweikanal-NIRS Ansatz simultan registriert. Die NIRS Probenpaare waren über den beiden Zentralregionen im Bereich der motorischen Repräsentanz der Finger angebracht (C3’ und C4’ nach dem 10-20-System). (a) zeigt die dreidimensionale Rekonstruktion des Meßvolumens der NIRS. In (b) sind neben den sagittalen Schichten auch die tangentialen (rekonstruierten) Schichten bei Stimulation der linken und rechten Hand dargestellt. Damit lassen sich die NIRS-Proben (weiße Kreise) direkt auf die gemessenen BOLD-Kontrast Änderungen projizieren. (c) zeigt die Verläufe des [deoxy-Hb] bei Durchführung der Fingerbewegung in der ipsilateralen (dünne Spur) und contralateralen (dicke Spur) Hand und die entsprechenden Verläufe des BOLD-Kontrastes (invertiert dargestellt, zur besseren Vergleichbarkeit). In (d) sind die Ergebnisse des Vorexperimentes dargestellt. Hier zeigt sich, daß die Änderungen des systemischen Blutdrucks, gemessen mit einer nicht invasiven kontinuierlichen plethysmographischen Methode (Finapress, Ohmeda), im Zeitgang den gemessenen Änderungen der hämodynamischen Parameter ähneln. Die Lateralisierung der [deoxy-Hb] Antwort ist aber ein sicheres Indiz für den cortikalen Ursprung der gemessenen Antwort. Analog zu den Ergebnissen im Blockdesign (Kleinschmidt et al. 1996)* zeigte sich eine gute Korrelation zwischen den BOLD-Kontrast Änderungen und den Änderungen des [deoxy-Hb] bei Lokalisation der NIRS Proben über dem Maximum der BOLD-Änderung.


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Wie Abb. 15 zeigt, folgen die RR-Änderungen in diesem single-trial design einer ähnlichen Dynamik wie die NIRS-Parameter. Die [deoxy-Hb] Änderungen sind allerdings klar lateralisiert, während die [oxy-Hb] Änderungen bei dieser kurzen Stimulation keine sichere Lateralisierung aufweisen. Die fehlende Lateralisierung der [oxy-Hb] deutet darauf hin, daß dieser Parameter stärker auch systemische Änderungen des Blutfluß abbildet, die wahrscheinlich auch einen Anteil am initialen ‚overshoot’ des Parameters im motorischen Block-Design Experiment unter B.1.1. ausmachen.

Biophysikalisch wurde bereits früh die Konzentrationsänderung des paramagnetischen deoxy-Hb im Sinne eines ‚endogenen Kontrastmittels’ als wichtigste Einflußgröße postuliert (Ogawa and Lee, 1990). Physiologische Modelle wurden beschrieben, die den Abfall der lokalen deoxy-Hb Konzentration aus dem Zusammenspiel der Änderungen des regionalen cerebralen Blutflusses (rCBF) und den fokalen Änderungen des Sauerstoffmetabolismus (rCMRO2) entwickeln (Villringer and Dirnagl, 1995) (s. Abb. 12). Die grundsätzliche Annahme eines lokalen Abfalles des [deoxy-Hb] bei funktioneller Aktivierung kann aufgrund der großen experimentellen Evidenz als gesichert gelten. Jedoch sind neben den alle vaskulären Methoden betreffenden Fragen zur neuro-vaskulären Kopplung auch die Fragen zur Linearität des BOLD-Kontrast fokussiert worden (Boynton et al. 1996). Die Erforschung der Physiologie des BOLD Kontrastes muß also zwei Relationen berücksichtigen. Zum einen die Interaktion weiterer vaskulärer Parameter (rCBF, rCBFv, rCBV, rCRMO2 und O2-uptake) mit der deoxy-Hb Konzentration; weiterhin ist aber auch zu fragen, ob das Verhältnis zwischen der deoxy-Hb Konzentration und dem BOLD-Kontrast linear ist (vergl. Abb. 13). Schließlich ist die Quantifizierung der [deoxy-Hb]-Konzentration und ihrer Änderungen bisher anhand des gemessenen BOLD-Kontrastes nicht möglich. Hier werden diese Fragestellungen erwähnt, da die Studien zur simultanen NIRS-fMRT-Messung nicht allein der methodischen Validierung der NIRS dienen, sondern umgekehrt die NIRS auch ein unabhängiges Meßverfahren zur [deoxy-Hb] Bestimmung mit der Option einer Quantifizierung der Änderungen darstellt. In der Zusammenschau der Ergebnisse besteht zwischen dem durch die NIRS gemessenen [deoxy-Hb] Abfall und dem Anstieg des BOLD-Kontrastes in einem aktivierten cortikalen Areal eine Korrelation. Diese Korrelation bedeutet für die MRT eine methodisch unabhängige Bestätigung der wichtigsten physiologischen Einflußgröße des BOLD-Kontrastes. Für die NIRS folgt, daß ein [deoxy-Hb] Abfall über einem aktivierten Areal zu erwarten ist. Die grundsätzliche Korrelation zwischen den beiden Meßparametern begründet auch die


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Wertigkeit von NIRS-Studien zur Frage nach linearen und nicht linearen Aspekten des BOLD-Kontrastes und seiner physiologischen Konstituenten. Dies wird im Abschnitt B.4. weiter thematisiert.

B.2.2. Simultane NIRS und H2O-PET

(Villringer et al. 1997)

Mit markiertem Wasser (H215O) läßt sich in der PET regionaler Blutfluß (rCBV) darstellen. Im Gegensatz zum BOLD-Kontrast ist die Parameter-Spezifität hoch. Nachteile der PET sind im Vergleich zur fMRT die geringere räumliche Auflösung. Weiterhin ist die Erhebung repetitiver Aktivierungen in einer Versuchsperson durch den Strahlenschutz limitiert, so daß häufig Gruppenanalysen notwendig und intraindividuelle Vergleiche nicht möglich sind. Auch im Vergleich zur NIRS ist die zeitliche Auflösung sehr begrenzt, da nur ein Differenzbild zwischen einem Ruhe- und einem Aktivierungszustand darstellbar ist, der Zeitverlauf der vaskulären Antwort jedoch nicht untersucht werden kann. Bei kognitiven Aufgaben (Stroop-Paradigma und Rechenaufgaben) untersuchten wir die Korrelation zwischen den Parametern der NIRS und dem rCBV, gemessen mit der PET. Es ergab sich eine gute Korrelation zwischen rCBV und dem [tot-Hb]. Anhand einer groben Modellierung des Meßvolumens erlaubte sich weiterhin eine Abschätzung der Eindringtiefe des Lichtes ins Gewebe. Die Korrelation zwischen den Parametern war am besten, wenn von einem halbkugelförmigen cortikalem Meßvolumen von 0,9 cm Radius ausgegangen wurde.

Das Experiment bestätigt die Validität des oben beschriebenen Antwortmusters bei cortikalen Änderungen der Hämodynamik und zeigt die grundsätzliche Übereinstimmung der hämodynamischen Änderungen in einem aktivierten cortikalen Areal zwischen den beiden verschiedenen ‚vaskulären’ Methoden. Die NIRS kann im Gegensatz zur PET Aussagen über den Zeitverlauf der Blutflußänderungen machen und bietet sich daher als zusätzliche Methode im Rahmen von PET Untersuchungen an. Die Anwendung im Rahmen funktioneller Untersuchungen wird durch die relative Invasivität der PET spezifischen Fragestellungen vorbehalten bleiben. Eine relevante Option ergibt sich hier aus der Möglichkeit der absoluten Quantifizierung des rCBF in der PET <18>.


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B.2.3. Simultane NIRS und TCD

(Hirth et al. 1997)

Ähnlich der NIRS stellt die transcranielle Dopplersonographie (TCD) ein bed-side Verfahren dar, das jedoch seit längerer Zeit den Stellenwert einer klinische Routineanwendung erreicht hat. Da die TCD die Hämodynamik der großen Gefäße, die NIRS hingegen vor allem die Hämoglobinoxygenierung des kapillären cortikalen Bettes abbildet, erscheint auch klinisch die Kombination beider Methoden sinnvoll. Im Rahmen der Reservekapazitäts-Untersuchungen bei Stenosen der hirnversorgenden Arterien, könnte eine Änderung der cortikalen Oxygenierung zusätzliche relevante Information liefern. In der Literatur liegen Studien zur Carotisstenose (Kirkpatrick et al. 1998a; Kirkpatrick et al. 1995; Smielewski et al. 1998; Smielewski et al. 1997) aber auch zu anderen Anwendungen bei cerebrovaskulären Erkrankungen (Vernieri et al. 1999) vor. In der hier dargestellten Studie untersuchten wir die Korrelation zwischen der MCA-Flußgeschwindigkeit und den Änderungen der NIRS-Meßparameter bei einem motorischen Paradigma, analog zu den oben beschriebenen Studien (unilaterale Fingeroppositionsaufgabe im Block-Design). Es korrelierten die Änderungen der MCA-CBFv mit den Änderungen der oxy-Hb-Konzentration im abhängigen cortikalen Areal. Dieses Ergebnis unterstützt die These, daß die [oxy-Hb] Änderungen vom arteriellen input deutlicher beeinflußt werden als die weiteren Parameter der NIRS. Der initiale ‚overshoot’, der bei den NIRS-Studien im [oxy-Hb] gesehen wurde, zeigte sich bei der kombinierten Studie auch in den Flußgeschwindigkeiten der versorgenden MCA.

Zur Zeit untersuchen wir ein visuelles Paradigma zur Frage nach der Frequenzabhängigkeit der Flußgeschwindigkeitsänderung in der PCA (A. cerebri posterior), gemessen mit der TCD, in Kombination mit dem bildgebenden NIRS System (Halbfeldstimulation bei 3, 5 und 8 Hz). Das Interesse gilt vor allem auch dem Verhalten der hämodynamischen Parameter nach Beendigung der funktionellen Stimulation, da in der TCD zum Teil kurzzeitige Anstiege der flow velocity in der post-Stimulationsphase gesehen wurden.

Die Studien im Methodenvergleich konsolidieren die vorangehend beschriebene ‚typische Antwort’ über einem funktionell aktivierten cortikalen Areal. Die wichtigste Analogie besteht zwischen dem BOLD-Kontrast der fMRT und den Änderungen der deoxy-Hb Konzentration. Die Parameter-Spezifität aber auch die Möglichkeit, Änderungen der Oxygenierung zu quantifizieren, stellen in diesem Zusammenhang klare Vorteile der NIRS dar. Die rCBF Messungen der PET und die CBFv Messungen der großen cerebralen Gefäße mit der TCD demonstrieren weiterhin die Option, mit der NIRS, bei funktionellen Studien cortikale Änderungen der Hämoglobinoxygenierung zu untersuchen. Dabei sind die zeitliche Auflösung der NIRS einerseits, andererseits die Beschreibung der


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hämodynamischen Änderungen im cortikalen Kapillarbett Beiträge der NIRS bei gleichzeitiger Anwendung. In der Zusammenfassung sollte weiterhin betont werden, daß die relativ einfache Anwendung der NIRS in Kombination mit den apparativ aufwendigeren Methoden (MRI / PET) die Möglichkeit eröffnet, nach einer initialen, simultanen Untersuchung, regelmäßige Verlaufs-Untersuchungen am Krankenbett durchzuführen. Neben dieser klinischen Perspektive ist im Rahmen der Untersuchung der Physiologie der vaskulär-basierten bildgebenden Verfahren die Möglichkeit der simultanen Messungen auch von hoher Relevanz. Indem die NIRS mit der PET und der fMRT, relativ einfach aber auch mit elektrophysiologischen Methoden zu kombinieren ist (siehe B.3.), kann sie einen Beitrag dazu liefern, die methodisch verschiedenen Abbilder der Hirnfunktion zu einem realistischeren Gesamtbild zusammenzufügen.

B.3. Oxygenierungsänderungen in Ruhe und bei ‚Deaktivierung’

Bei funktionellen Studien wird meist ein Ruhezustand des Gehirns einem aktivierten gegenübergestellt. Die Differenz zwischen den beiden Zuständen wird als ‚Aktivierung’ beschrieben und ggf. kartographiert. Beide ‚Zustände’ sind jedoch grobe Vereinfachungen. Das ‚ruhende Gehirn’ ist ein Konstrukt, dessen Schwäche bereits deutlich wird, wenn ohne Bezug auf apparative Verfahren, rein psychophysisch ein solcher Zustand beschrieben werden soll. Bei der apparativen Untersuchung der Hirnfunktion werden nicht allein im Hinblick auf die vaskulär-basierten Meßverfahren (Biswal et al. 1996) spontane oder nicht ereigniskorrelierte Änderungen der Parameter meist als ‚biologisches’ Rauschen verstanden. Bei der Darstellung evozierter visueller Potentiale etwa liegen die interessierenden Potentiale unterhalb der Größenordnung der Frequenzbänder, etwa des alpha-Rhythmus, die im spontanen EEG abgeleitet werden und lassen sich erst durch multiple Mittelungen darstellen. Das ‚biologische Rauschen’ überlagert stimulationsbedingte Änderungen der Meßparameter, ungünstiger noch kann es sich in Amplitude, Frequenz und Phase aufgrund der Stimulation verändern, so daß die Stimulus-korrelierten und die spontanen Änderungen teils schwer getrennt werden können. Die ‚Aktivierung’ stellt damit ebenso keinen stabilen Zustand des Gehirns dar. Für die vaskulären Verfahren sind Puls und die Atmung notwendige Überlagerungen der stimuluskorrelierten Änderungen. Elektrophysiologisch sind Habituationsphänomene des Antwortverhaltens beschrieben worden (Wastell and Kleinman, 1980) und den exzitatorischen stehen inhibitorische Vorgänge gegenüber, die ebenfalls für die korrekte Ausführung des Paradigmas relevant sind (etwa die Unterdrückung von ‚Spiegelbewegungen’ bei unilateraler Fingerbewegung (Shaffer, 1982; Leinsinger et al. 1997)).

In den folgenden Abschnitten werden Studien zusammengefaßt, die sich mit spontanen Oszillationen der cerebralen Hämoglobinoxygenierung und mit dem Phänomen der ‚Deaktivierung’ beschäftigen. Eine Studie zu Fragen der Habituation wird im folgenden Abschnitt behandelt.


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B.3.1. Spontane langsame Oszillationen der Hämodynamik und des Metabolismus über dem visuellen Cortex.

(Obrig et al. 2000a)*

Langsame spontane Oszillationen der cerebralen Hämodynamik und des cerebralen Metabolismus sind in mehreren Spezies mit unterschiedlichen Methoden gut untersucht (Giller et al. 1993; Hudetz et al. 1998; Mayhew et al. 1996). Charakterisiert werden sie durch die Spontanität, die Unabhängigkeit von Atmung und Herzschlag, sowie durch ihre Modulierbarkeit parallel zu Änderungen verschiedener physiologischer Parameter. Die Ergebnisse der Studien sind jedoch heterogen bezüglich der genauen Frequenz, der Modulierbarkeit und auch des physiologischen Ursprungs der Oszillationen. Das Interesse an diesen Oszillationen für funktionelle Studien leitet sich zunächst aus ihrem Beitrag zum physiologischen Rauschen ab. Da die Oszillationen ein Frequenzband um 0,1 Hz aufweisen (LFO, low frequency oscillations), ist dies insbesondere für Studien mit sehr kurzen Einzelstimuli (single-trial oder event-related design) relevant, da die erwartete Antwortfunktion im gleichen Frequenzbereich liegt. Andererseits ist in den letzten Jahren mit der funktionellen Kernspintomographie gezeigt worden, daß anhand spontaner Oszillationen cerebrale Konnektivität (etwa zwischen den motorischen Cortices) in Ruhemessungen dargestellt werden kann (Biswal et al. 1995). Schließlich liefert eine tierexperimentelle Studie Hinweise dafür, daß im Rahmen cerebraler Ischämien die Oszillationen moduliert werden (Mayevsky and Ziv, 1991), so daß ein weiteres Interesse für die potentielle Anwendung bei der Überwachung von Ischämiepatienten besteht. Unsere Studie zielt auf die systematische Untersuchung der Oszillationen, die in allen genannten funktionellen Studien mit der NIRS in den Rohdaten gesehen wurden. Wir konnten zeigen, daß die Oszillationen über dem occipitalen Cortex mit der NIRS dargestellt werden können und daß das Verhältnis der Amplitude der spontanen Oszillationen zu der Amplitude der Antwort für die einzelnen Parameter unterschiedlich ist ([oxy-Hb] >> [deoxy-Hb]). Auch besteht eine Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen berechneten NIRS-Parametern ([oxy-Hb], [deoxy-Hb] und [Cyt-ox]). Schließlich zeigt sich, daß Amplitude und Phasenverschiebung durch funktionelle Stimulation des visuellen Cortex Areals moduliert werden (Schachbrettstimulation bei 8Hz über 2 min, alternierend mit 2 min langen Ruhephasen). Unsere Ergebnisse liefern bezüglich der Anwendung der NIRS für funktionelle Studien wichtige Ergebnisse insbesondere für die Frage nach dem Signal-Rausch-Verhältnis in den unterschiedlichen Parametern. Die geringe Lateralisierung der [oxy-Hb]-Antwort bei der unter B.2.1. dargestellten Studie mit einem motorischen single-trial Paradigma ist unter Berücksichtigung der Ergebnisse teils auch mit der Dominanz der Oszillationen im [oxy-Hb] zu erklären. In diesem Parameter war die Amplitude der LFO (0,1 Hz) in einigen Versuchspersonen deutlich größer als die stimulusinduzierte Konzentrationsänderung des Parameters. Die Modulierbarkeit der Oszillationen durch Hyperkapnie (Biswal et al. 1997) und auch durch die funktionelle cerebrale Aktivierung zeigt


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einen Zusammenhang der Oszillationen mit der Regulation der cerebralen Hämodynamik, der im Rahmen pathologischer Alterationen von Interesse ist. Bezüglich der Nutzung zur Darstellung funktioneller Konnektivität ist vor kurzem in unserer Gruppe die Darstellung für die fMRT etabliert worden. Ein kombinierter Ansatz (NIRS-fMRT) ist bereits in Pilotexperimenten getestet worden. In diesem Experiment zeigt sich, daß durch die Darstellung verschiedener Parameter der vaskulär - metabolischen Antwort ([oxy-Hb] [deoxy-Hb] und [Cyt-ox]) physiologische Mechanismen untersucht werden können, die etwa der fMRT nicht zugänglich sind. Die Phasen und Amplitudendifferenz zwischen den Parametern erlaubt es, Thesen zum Zusammenspiel zwischen Blutvolumen und -flußgeschwindigkeit zu prüfen. Hier sehen wir auch zukünftig ein Potential der Methode im Zusammenhang mit grundlegenden physiologischen Fragestellungen der vaskulären Verfahren.

B.3.2. Fokale Hypoxygenierung bei sakkadischer Suppression des visuellen Cortex

(Wenzel et al. 2000)*

Wie im Exkurs ‚Neuro-vaskuläre Kopplung’ skizziert stellen die bildgebenden Verfahren ein indirektes Abbild cerebraler Prozesse dar. Vereinfachend werden Areale als ‚aktiviert’ bezeichnet, die einen Anstieg des regionalen Blutflusses (rCBF) oder des regionalen Metabolismus zeigen. Der Abfall des [deoxy-Hb] wird dabei verstanden als Ausdruck eines disproportional großen Anstiegs des lokalen Blutfluß (rCBF) bei nur geringem Anstieg des lokalen Sauerstoffverbrauches (rCMRO2) (Fox and Raichle, 1986). Ein solcher [deoxy-Hb]-Abfall wurde oben als typische NIRS-Antwort über einem ‚aktivierten’ cortikalen Areal beschrieben, auch wurde die Korrelation zur BOLD-Kontrast gestützten fMRT gezeigt. Aus neurophysiologischen Untersuchungen im Tiermodell ist andererseits bekannt, daß Neuronen auf bestimmte Stimuli mit einer Abnahme der Spike-Frequenz reagieren (Duffy and Burchfiel, 1975). In Analogie zur ‚Aktivierung’ wurde daher der Begriff der ‚Deaktivierung’ geprägt, der jedoch auf physiologischer Ebene ein nicht einheitlich gefaßtes Phänomen darstellt (siehe Exkurs 1). Hierfür wird angenommen, daß eine geringere Spikefrequenz zu einem geringeren metabolischen Bedarfs an Sauerstoff und Glucose führt. Intuitiv erscheint der Abfall des lokalen Blutfluß plausibel, allerdings ist für einen lokalen BOLD-Abfall zu fordern, daß es zu einem lokalen Anstieg des [deoxy-Hb] kommt. Dieser ist nur dann zu erklären, wenn der Abfall des lokalen Blutflusses größer ist als der Abfall des lokalen Sauerstoffbedarfs. Dies erscheint intuitiv physiologisch unplausibel, da eine fokale Hypoxygenierung resultiert. Das Phänomen des negativen BOLD-Kontrastes wurde zuvor beschrieben (Fransson et al. 1999a), in der vorliegenden Studie war das Ziel, anhand eines physiologischen Modells die Änderungen der Oxygenierung mit der NIRS zu untersuchen, um die Hypothese zu prüfen, ob die hämodynamische Antwort auf eine Abnahme der cortikalen Aktivität mit inversen Änderungen von [oxy-Hb] und [deoxy-Hb] einhergeht. Für das visuelle System ist


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psychophysiologisch eine sakkadische Suppression bereits lange bekannt. Sie besagt, daß während einer Sakkade ein visueller Stimulus schlechter oder nicht wahrgenommen wird. Neuronal ließ sich im Makaken der Abfall der Spikerate nachweisen (Duffy and Burchfiel, 1975). Für den Menschen zeigt eine rezentere PET Studie einen Abfall des rCBF in striären und extrastriären visuellen Arealen, der mit der Sakkadenfrequenz korreliert (Paus et al. 1995). Im vorliegenden Experiment wurden Probanden mit der BOLD-Kontrast fMRT und mit der NIRS untersucht, während sie Sakkaden unterschiedlicher Frequenz ausführten. Die Sakkaden waren akustisch getriggert und wurden in Dunkelheit ausgeführt, um einen visuellen Input zu verhindern. Im Vergleich zum ‚Ruhezustand’ zeigte sich ein Abfall des BOLD-Kontrastes in der fMRT. Mit der NIRS sahen wir einen Anstieg der deoxy-Hb- bei gleichzeitigem Abfall der oxy-Hb-Konzentration. Die so nachgewiesene Hypoxygenierung zeigte weiterhin eine Abhängigkeit von der Sakkadenfrequenz. Das Experiment ist relevant für das Verständnis der Signalphysiologie des BOLD-Kontrastes. Der Ruhezustand bei Aktivierungsstudien muß auch für die vaskulären Verfahren besser als regionaler hämodynamisch-metabolischer Zustand verstanden werden, der abhängig vom wechselnden metabolischen Bedarf hinauf- oder herabreguliert wird. Zu- und Abnahmen der Spikefrequenz in bestimmten cortikalen Arealen auf geeignete Stimuli spiegeln sich in Änderungen des regionalen Blutfluß wider, die sich als relative Hyper- oder Hypoxygenierung darstellen können.

B.4. Aspekte der Linearität

Wie oben beschrieben wird in funktionellen Untersuchungen des Gehirns ein Stimulationsparadigma in Relation zu einem gemessenen Parameter gesetzt. Ziel ist es, diese Korrelation möglichst allgemeingültig zu beschreiben. Für die vaskulär-basierten Methoden ist zu berücksichtigen, daß sich die Übersetzung des Stimulus in die gemessene Änderung eines Parameters unterteilen läßt in die Transformation (1) des Stimulus in eine neuronale Antwort, (2) die neuro-vaskuläre Übersetzung und schließlich (3) die Transformation des physiologischen Parameters der vaskulären Antwort (rCBF, rCBFv, rCBV) in den jeweiligen Meßparameter. Werden Intensität und Dauer des Stimulus variiert, so läßt sich aus dem respektiven Antwortverhalten näherungsweise die Natur der jeweiligen Transformation beschreiben. Hierbei bieten sich lineare Aspekte des Anwortverhaltens naturgemäß dem Ziel der Verallgemeinerung an. In der Literatur zur Physiologie des BOLD-Kontrastes liegen aus den letzten Jahren eine Reihe von Arbeiten zu linearen und nicht-linearen Aspekten des Antwortverhaltens vor, die so die zum Teil groben Vereinfachungen initialer funktioneller Studien einer differenzierteren Sicht zugänglich machen (Boynton et al. 1996). (Siehe auch Exkurs 2: ‚Neuro-vaskuläre Kopplung’). Es ist aber zu berücksichtigen, daß die Transformation der hämodynamischen Antwort in die gemessene BOLD-Antwort diesen Untersuchungen nicht zugänglich ist, und physiologische Modelle oder Annahmen bemüht werden müssen, um Aussagen zu treffen. Gleiches gilt für die Parameter der NIRS. Aus dem dargestellten, engen Verhältnis der [deoxy-Hb]- zu den


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BOLD-Kontrast-Änderungen und der hohen Parameter-Spezifität sowie der physikalisch begründeten, einfacheren relativen Quantifizierung der NIRS-Parameter ergibt sich jedoch die Möglichkeit, die für den BOLD-Kontrast getroffenen Aussagen mit der NIRS prüfen. Es zu betonen, daß diese Untersuchungen keinesfalls allein die Funktion der Wiederholung mit einem weniger etablierten Verfahren darstellen, sondern im Gegenteil eine hohe Relevanz für die Physiologie der fMRT haben. Die erste der hier zusammengefaßten Studien bestätigt Ergebnisse zur Anwendung des linearen Transfer Modell. In einer zweiten Studie wird untersucht, inwiefern prolongierte Stimulation zu einer Attenuierung der hämodynamischen Antwort führt. Diese Frage wurde in der Literatur zur BOLD-Physiologie kontrovers diskutiert und gründete sich zum Teil auf die Annahme einer metabolischen Adaptation während solcher prolongierter, funktioneller cortikaler Aktivierung (siehe auch Exkurs 2). Die dritte Studie stellt einen anderen Ansatz dar. Hier wurde simultan zu den Änderungen der cortikalen Oxygenierung die Amplitude der VEP-Komponenten registriert. Aus dem Vergleich des Habituationsverhaltens in den hämodynamischen und neurophysiologischen Parametern werden Rückschlüsse auf die neuro-vaskuläre Kopplung gezogen.

B.4.1. Modellierung der NIRS-Antwort als Impuls-Response Funktion

(Wobst et al. 2001)*

In Anlehnung an Studien zum BOLD Kontrast (Boynton et al. 1996; Vazquez and Noll, 1998; Miller et al. 2001) wurden Aspekte der Linearität der NIRS-Antwort bezüglich der Prädiktion längerer aus kurzen Stimulationsantworten untersucht. Dazu wurde Probanden ein Schachbrett Stimulus von 3 s, 6s, 12 s und 24 s Dauer in randomisierter Folge präsentiert. Die Wechselfrequenz des Schachbretts betrug 8 Hz. Anhand der Ergebnisse ließ sich nun überprüfen, ob sich durch lineare Superposition die Ergebnisse der längeren aus den kürzeren Stimulationsantworten prädizieren lassen. Bei relativ guter Pädiktion der 6 - 24 s langen Stimulationsepochen für die Parameter [deoxy-Hb] und [Cyt-ox] wurde in einem nächsten Schritt ein parametrisches Modell für die Impuls-Response Funktion bestimmt. Für Änderungen der deoxy-Hb Konzentrationen ergeben sich in dieser Modellierung Werte, die den für den BOLD-Kontrast berichteten entsprechen. Das Experiment bestätigt einerseits erneut die enge Beziehung des BOLD-Kontrastes zur lokalen Konzentration des deoxy-Hb. Von Interesse ist weiterhin die Anwendbarkeit auf den metabolischen Parameter [Cyt-ox] und die geringe Prädiktibiltät für [oxy-Hb] und [tot-Hb]. Die gute zeitliche Auflösung der NIRS läßt auch die Untersuchung der hämodynamischen Antwort auf sehr kurze Stimuli zu, für die ein nicht-lineares Verhalten beschrieben wurde (Liu and Gao, 2000).


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B.4.2. Antwortverhalten bei prolongierter funktioneller Stimulation

(Heekeren et al. 1997)

Die Grundlage des BOLD-Kontrast Anstieges in einem ‚aktivierten’, cortikalen Areal ist eine lokale Hyperoxygenierung. Wie in Kapitel B.3.2. gezeigt, kann ein Abfall des BOLD-Kontrastes eine Deaktivierung des cortikalen Areals widerspiegeln. Andererseits wurde in einigen Studien eine Attenuierung des BOLD-Kontrastes bei prolongierter Stimulation beschrieben, so daß die Frage besteht, ob der Abfall des BOLD-Kontrastes bei prolongierter Stimulation Zeichen einer stimulus-unabhängigen ‚vaskulären Habituation’ verstanden werden kann und damit ein nicht-lineares Verhalten der neurovaskulären Kopplung bei prolongierter Stimulation besteht. Die Differenz zwischen dem überproportionalen Anstieg des lokalen Blutflusses (rCBF) und dem geringeeren Anstieg des Sauerstoffverbrauchs (rCMRO2) wurde bereits 1986 von Fox und Raichle mit der PET beschrieben (Fox and Raichle, 1986). Zur Erklärung des Phänomens bestehen jedoch unterschiedliche Theorien, die im Exkurs 2 kurz skizziert sind. Die vorliegende Studie untersuchte die Dynamik der oxy- und deoxy-Hb Änderungen bei visueller Stimulation mit einem stationären farbigen Stimulus. Dieser wurde über 5 min präsentiert und 8 Stimulationsphasen wechselten mit Ruhephasen (grauer Bildschirm) von 3 min Dauer. Das Interesse richtete sich auf die Veränderung der deoxy-Hb Konzentration über die Dauer der 5-minütigen Stimulationsphasen. Es ergab sich ein klarer Unterschied zwischen den [oxy-Hb] und den [deoxy-Hb] Änderungen. Die Konzentration des oxy-Hb erreicht nach ~ 20s ein Plateau, das bis zum Ende der Stimulation relativ stabil bleibt. Im [deoxy-Hb] ergibt sich ein initiales Minimum nach ~ 15 s, das bei einer Rückbildungstendenz über ~15 s nach 40 s ein neues Plateau erreicht. Nach Beendigung der Stimulation zeigt sich ein deutliches overshoot-Phänomen (Anstieg des [deoxy-Hb], entsprechend einem ‚undershoot’ wie er für den BOLD-Kontrast bei fMRT Studien beschrieben wurde). Die Ergebnisse lassen sich unterschiedlich interpretieren. Eine einfache, aufmerksamkeitsbedingte Attenuierung der [deoxy-Hb] Antwort ist aufgrund der konstanten [oxy-Hb] Antwort unwahrscheinlich. Daher wurden die Ergebnisse im Sinne der von Frahm vorgeschlagenen Theorie des partiellen ‚recoupling’ interpretiert (Frahm et al. 1996). Ebenfalls im Sinne dieser Theorie ließ sich zeigen, daß die Größe des initialen ‚undershoot’- und post-Stimulus ‚overshoot’ Phänomens korrelierten.

Berücksichtigt man die Arbeiten der letzten Jahre insbesondere auch zum BOLD-Kontrast der fMRT, so ist die Theorie des metabolischen ‚Umschaltens’ (oxidativ zu nicht-oxidativ) nicht als einzige Erklärung für die fokale Hyperoxygenierung zu halten. Die Differenzen zwischen den Studien und die unterschiedlichen Ergebnisse bezüglich einer Attenuierung der vaskulären Antwort müssen vor allem auch den Einfluß unterschiedlicher Stimulusmodalitäten sowie neuronaler Habituation berücksichtigen (siehe auch folgende Studie). Bei einem Teil der Probanden führten wir in der Folge das hier


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beschriebene Protokoll mit einem Schachbrettmuster-Stimulus durch. Die Attenuierung der [deoxy-Hb] Antwort wurde hier nicht gesehen.

B.4.3. Habituationsverhalten der neuronalen und elektrophysiolo-gischen Antwort

(Obrig et al. 2002)

Die Ergebnisse der vorangehenden Studie zeigen eine Attenuierung der [deoxy-Hb] Antwort bei prolongierter Stimulation, abhängig vom Stimulationsparameter, so daß auch unter Berücksichtigung der Ergebnisse der rezenten Studien zum BOLD-Kontrast (Howseman et al. 1998; Fransson et al. 1999b) die Hypothese einer Attenuierung auch der neuronalen Antwort plausibler erscheint als die einer rein vaskulären Habituation. Diese Hypothese ist auch für die Frage nach der Linearität der vaskulären Antwort von Bedeutung. Eine Attenuierung der vaskulären Antwort bei fehlender Habituation der neuronalen Antwort impliziert ein nicht-lineares Verhalten der neuro-vaskulären Kopplung. In der vorliegenden Studie wurde daher die Korrelation zwischen einem elektrophysiologischen und den Parametern der NIRS im Verlauf einer Stimulationsperiode untersucht. Verglichen wurde die Amplitude des visuell evozierten Potentials (VEP) und die Änderungen von [oxy-Hb] und [deoxy-Hb] während Stimulationsperioden von ~1 min Dauer, die aus 180 Wechseln eines kreisförmigen Schachbrettmusters bestanden (gleiche Länge der Ruhephasen). Das Ergebnis zeigt eine gute Korrelation zwischen den Oxygenierungsänderungen und der P100N135 Komponente des VEP. Dabei ergaben sich bei Berechnung des Verhältnisses zwischen den [deoxy-Hb] Änderungen pro µV Änderung der VEP-Amplitude gleiche Werte, sowohl wenn der Unterschied zwischen Ruhe und Stimulationsepoche aber auch wenn die Habituationseffekte, also die Attenuation der [deoxy-Hb]-Antwort und der VEP-Amplitide über den Verlauf der Stimulationsepoche, als Grundlage der Berechnung herangezogen wurden. Dies deutet auf lineare Aspekte im Verhältnis der beiden Antwortparameter hin. Auf dieser Basis und mit Bezug auf die Literatur, in der lokale Feldpotentiale und evozierte Potentiale als relativ guten Prädiktor für die vaskuläre Antwort postuliert werden (Logothetis et al. 2001), wurde ein ‚Coupling Index’ berechnet, der die Änderungen der deoxy-Hb Konzentration, in µM, bezogen auf die Amplitude der VEP-Komponente in µV angibt. Kritisch für eine solche Angabe ist die Frage inwiefern die Meßvolumina beider Methoden ungefähr kongruent sind. Daher untersuchen wir derzeit mit dem bildgebenden NIRS System und einem Array von Elektroden die Frage, ob eine zweidimensionale räumliche Differenzierung möglich ist. Eine weitere Option ist eine grobe Tiefenauflösung der gemessenen NIRS-Parameter, die eine Verringerung des partial volume Effektes ermöglicht.


Fußnoten:

<14>

Die Relevanz und biophysikalische aber auch potentielle physiologische Validität der [Cyt-ox] und weiterer Parameter wurde bereits in Teil A der vorliegenden Arbeit diskutiert. Bei den meisten der in Teil B zusammengefaßten Studien, die spektroskopisch eine Differenzierung der drei Chromophore erlauben, sahen wir einen Anstieg der Oxidierung des Enzyms. Auch die weiter unten aufgeführte Studie zu Aspekten der Linearität analysiert diesen Parameter. Die spektroskopische Möglichkeit des cross-talks muß allerdings bei der Einordnung der Ergebnisse bezüglich ihrer physiologischen Relevanz berücksichtigt werden.

<15>

Als ein solches Modell kann auch das Resultat einer klinisch-neurologischen Untersuchung, aber auch das Beschwerdebild des Patienten gewertet werden. Daß apparative Untersuchungen nur einen Teil der hier gefundenen oder berichteten Alterationen sicher abbilden können, ist die Erfahrung jedes klinisch tätigen Neurologen und das Leid einer großen Zahl neurologisch Kranker, die die fehlende apparative ‚Objektivierung’ ihrer Beschwerden als fehlende Kompetenz oder Empathie des Untersuchers werten.

<16>

‚Frühe Hypoxygenierung’ oder ‚initial dip’ bezeichnen Phänomene, die der metabolisch-vaskulären Antwort zugerechnet werden. Diese sind zu trennen von den oben beschriebenen ‚fast optical signals’, die als Ausdruck optischer Änderungen im Rahmen der elektrophysiologischen, neuronalen Aktivität auftreten. Am eröffneten Cortex im Tier werden Wellenlängen im sichtbaren Spektrum genutzt, die geringe Eindringtiefe erlaubt eine weitaus genauere Definition des Meßvolumens. Dennoch spielt in der Kontroverse um die Existenz des Phänomens die Frage nach einem spektroskopischen Fehler eine wichtige Rolle. Ähnlich der bezüglich der Validität der Cytochrom-oxidase geführten Diskussion des cross-talks läßt sich der ‚dip’ auch als spektroskopisches Artefakt modellieren. Die NIRS bietet sich an, die Frage nach dem ‚initial dip’ auch nicht-invasiv am Menschen zu untersuchen. Eine Reihe von Untersuchungen hierzu durch unsere Gruppe zeigten jedoch kein eindeutiges Ergebnis. Bei bereits unter den wesentlich definierteren Bedingungen am freigelegten Cortex kontroversen Ergebnissen überrascht dieses negative Resultat wenig.

<17>

Das genutzte Gerät, OXYMON, wurde von Colier und Oeseburg an der Universität Nijmegen entwickelt und arbeitet bei den Wellenlängen 775, 848 und 901 nm .

<18>

Es ist zu betonen, daß regionaler cerebraler Blutfluß einen vergleichsweise basalen physiologischen Parameter darstellt, und die Stärke der PET, diesen Parameter quantitativ und relativ direkt zu bestimmen, nicht unterschätzt werden darf. Die Differenzierung von Änderungen der Flußgeschwindigkeit (rCBFv) und des Blutvolumens (rCBV) oder gar die aus beiden resultierende lokale Konzentration des [deoxy-Hb] setzen physiologisch deutlich komplexere Modelle voraus. Wenn in der Literatur von der ‚vaskulären Antwort’ die Rede ist, ist zumeist der rCBF gemeint.


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Fri Jan 10 11:15:00 2003